用氧氣傳感器探究催化劑對雙氧水分解速率的影響

湖北省宜昌市夷陵中學(xué)(443000) 成昌華

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是一種信息化教學(xué)方法，它是利用多媒體設(shè)備、數(shù)據(jù)采集器及傳感器、通用軟件等，將各種信號通過計算機(jī)軟件分析處理，以圖像、圖表等直觀的形式呈現(xiàn)出來。利用傳感器對一些微小的和連續(xù)變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行測定，從而使得高中的一些定性實(shí)驗(yàn)定量化，定量實(shí)驗(yàn)可視化，讓學(xué)生對一些高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)有更加深刻的理解。催化劑是影響化學(xué)反應(yīng)速率的外界條件之一，選用適當(dāng)?shù)拇呋瘎┦歉淖兎磻?yīng)速率常用的方法之一。催化劑能改變反應(yīng)的路徑，降低使反應(yīng)發(fā)生所需的活化能，反應(yīng)速率增大。

教材中比較二氧化錳、氯化鐵溶液和硫酸銅溶液對過氧化氫分解的催化效果，是以產(chǎn)生氣泡的快慢比較反應(yīng)速率的大小，屬于典型的定性實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)使用三個氧氣傳感器同時測定實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的氧氣濃度隨時間變化關(guān)系，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時在電腦上以曲線顯示出來，通過比較曲線各點(diǎn)切線斜率反映化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的快慢。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果由定性化描述轉(zhuǎn)化為定量化呈現(xiàn)，既直觀又能定量計算化學(xué)反應(yīng)速率，將定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)，對催化劑影響化學(xué)反應(yīng)速率的原理理解更深刻。

1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)采用美國威尼爾(Vernier)O2-BTA氧氣濃度傳感器(見圖1)，傳感器自帶250 mL氣體取樣瓶。此傳感器使用原電池來測量氧氣的濃度。傳感器含有浸在電解溶液的一個鉛正極和一個金負(fù)極。當(dāng)氧分子進(jìn)入電池時，它們會在負(fù)極處被電化反應(yīng)還原。電化反應(yīng)所產(chǎn)生的電流是與電極之間的氧氣濃度成正例的。此電流經(jīng)過電阻而產(chǎn)生一個輸出電壓，輸出電壓通過數(shù)據(jù)采集器處理并讀取。該傳感器氧氣測量范圍：0%～27%；精度(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下)：氧氣體積±1%。

圖1 威尼爾O2-BTA氧氣濃度傳感器實(shí)物照片

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

氧氣濃度傳感器(自帶3個250 mL氣體取樣瓶)、數(shù)據(jù)采集器(數(shù)據(jù)采集軟件均為Vernier公司生產(chǎn))、筆記本電腦(安裝Logger Pro軟件)、50 mL量筒(3支)、10 mL量筒(3支)、500 mL容量瓶、燒杯、膠頭滴管、鑰匙、電子天平、稱量紙、1%H2O2、二氧化錳、0.1 mol/L FeCl3溶液、0.1 mol/L CuSO4溶液、水(試劑均為分析純，水為處理過的超純水)。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

本實(shí)驗(yàn)由Vernier 氧氣濃度傳感器、數(shù)據(jù)采集器、筆記本電腦及配套軟件組成。本實(shí)驗(yàn)?zāi)軐⒀鯕鉂舛绒D(zhuǎn)化為可監(jiān)測的信號，并通過軟件處理后以圖像形式展現(xiàn)，從而幫助學(xué)生增強(qiáng)對化學(xué)原理的理解和認(rèn)識。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)前將3個氧氣傳感器和3個250 mL氣體取樣瓶分別編號為1、2、3并一一對應(yīng)，以防弄混，按實(shí)驗(yàn)裝置圖依次連接氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器和電腦，設(shè)置氧氣傳感器采樣頻率為每秒一次，實(shí)驗(yàn)時間為300 s。向氣體取樣瓶中分別加入50 mL 1%H2O2溶液，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集按鈕，再依次加入催化劑，迅速依次插入3個傳感器，觀察瓶內(nèi)反應(yīng)現(xiàn)象及電腦上的數(shù)據(jù)變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 催化劑種類對雙氧水分解速率的影響

向3個氣體取樣瓶中加入50 mL 1%H2O2溶液，向1號氣體取樣瓶加入0.150 g MnO2和10 mL蒸餾水，向2號氣體取樣瓶中加入10 mL 0.1 mol/L FeCl3溶液，向3號氣體取樣瓶中加入10 mL 0.1 mol/L CuSO4溶液，迅速插入3個氧氣傳感器，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集按鈕，觀察瓶內(nèi)反應(yīng)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)變化。

從圖3所示變化趨勢可以直接看出，在其他因素相同的條件下，二氧化錳的催化效果最好，氯化鐵溶液次之。在本實(shí)驗(yàn)條件下，通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)均未看到硫酸銅溶液有催化作用。因此，通過三個氧氣濃度傳感器同時完成對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)操作簡便，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對比明顯。點(diǎn)擊軟件上“正切”按鈕，將光標(biāo)移到曲線上，可顯示各點(diǎn)斜率，從而獲取每個時刻的瞬時速率，使實(shí)驗(yàn)由定性化描述轉(zhuǎn)化為定量化描述。

圖3 催化劑種類對雙氧水分解速率影響的對比圖

3.2 催化劑二氧化錳的用量對雙氧水分解速率的影響

實(shí)驗(yàn)已證明二氧化錳是催化分解雙氧水效果最好的一種催化劑，實(shí)驗(yàn)室也常用二氧化錳來催化分解雙氧水，高中教材上很少涉及到二氧化錳的用量對反應(yīng)速率的影響研究。催化劑的用量是否會影響其催化效果呢？下面，筆者用實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。按照實(shí)驗(yàn)步驟連接好儀器，分別向3個氣體取樣瓶中加入50 mL 1%H2O2溶液，同時向3個氣體取樣瓶中加入二氧化錳粉末，向1號氣體取樣瓶加入0.150 g MnO2，2號氣體取樣瓶中加入0.300 g MnO2、3號氣體取樣瓶中加入0.500 g MnO2，迅速插入3個傳感器，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集按鈕，觀察瓶內(nèi)反應(yīng)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)變化。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，二氧化錳的用量對雙氧水分解有顯著影響(見圖4)，特別是當(dāng)二氧化錳的用量為0.500 g時，反應(yīng)速率迅速增快并達(dá)到氧氣濃度傳感器的最大量程，因此在雙氧水濃度不變的情況下，不能再增大二氧化錳的用量。二氧化錳的用量越多，雙氧水分解的速率越快，這主要是由于增大了二氧化錳與雙氧水的接觸面積而引起的。因此，在實(shí)驗(yàn)室制氧氣時為了獲得穩(wěn)定的氧氣氣流時應(yīng)該控制好雙氧水和二氧化錳的用量。

圖4 催化劑二氧化錳的用量對雙氧水分解速率影響的對比圖

4 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)可以看出催化劑的種類和催化劑的用量對雙氧水的分解都有影響，二氧化錳對雙氧水的分解反應(yīng)催化效率最高，二氧化錳的用量也影響該反應(yīng)的速率。本實(shí)驗(yàn)采用氧氣傳感器開展實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)驗(yàn)操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可以直接將實(shí)驗(yàn)結(jié)果投影出來，方便所有學(xué)生觀察。基于傳感器的化學(xué)實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新思維，節(jié)省實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時間，讓學(xué)生有充分的時間和空間開展實(shí)驗(yàn)探究。使用傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的有效補(bǔ)充，同時也為化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究拓展了新的領(lǐng)域。