过氧化氢催化分解制取氧气的实验探究，本文主要内容关键词为：过氧化氢论文,氧气论文,分解论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
活动时间：学校安排的科技活动时间（每周2节），用10周完成。
参与学生：高一年级化学科技小组（16人）。
活动地点：化学实验室。
指导教师：陈少康。
一、科技活动探究问题的提出
在常温下H[，2]O[，2]能在催化剂作用下发生分解而制得氧气：
2H[，2]O[，2]
2H[，2]O+O[，2]↑
化学实验室可根据这一反应原理制取氧气。这种方法具有反应不加热、可选反应速度范围大、反应过程可控制及成本低的优点。然而采用这种方法制取氧气，必须解决一系列实验技术问题，首先就要研究本反应有哪些影响因素及其影响效果如何，才能确定最优化的实验方案。
让学生各自提出想要探讨的其中一个实验影响因素，作为研究专题。学生提出的问题有很多不同表述，但归纳起来大致有催化剂对反应的影响、溶液浓度对反应的影响、操作情况对应的影响、反应装置对反应的影响这几个问题。我就以“H[，2]O[，2]催化分解制取氧气方法影响因素探究”为课题，以参加本活动的高一年级化学科技小组为课题组，根据学生提出的不同问题又分成4个小组，要求学生以自己提出问题为专题去制订研究方案，以待在学校安排的科技活动时间（每周2节，共10周）内实施。
二、指导学生开展探究活动
探究的内容有4项，并且4个组分开实施，教师则分别给予指导。
1.催化剂种类及其状态、用量的影响
很多物质如某些重金属离子、强碱、活性炭等都能使H[，2]O[，2]催化分解，但这些物质都远不如一些过渡元素金属及其氧化物，于是把寻找理想催化剂的范围缩小到过渡元素金属及其氧化物之中。具体如下：
①用表面积为2.5cm[2]的瓷片（用规格统一的瓷质马赛克）4片分别蘸0.1mol/L的AgNO[，3]、Fe[，2]（SO[，4]）[，3]、CuSO[，4]、KnMO[，4]溶液在酒精灯焰上灼烧，干后待冷又蘸又灼烧，连续5次后可见到瓷片上分别留下一层银色、红棕色、灰黑、棕黑色物质。这实际上是以瓷片为载体在表面上生成一层作催化剂的物质（Ag、Fe[，2]O[，3]、CuO、MnO[，2]），待用。
②把上述催化剂及2.5cm[2]的铜片（磨亮）共5种同时分别放入5mL3％的H[，2]O[，2]溶液中，把结果记录如表1所示：
表1 几种催化剂对H[，2]O[，2]催化分解效果
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│催化剂 │Cu │Ag（瓷片） │Fe[，2]O[，3]（瓷片） │ CuO（瓷片）
│ MnO[，2]（瓷片） │
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│ 表现反应程度 │很慢│快 │很慢 │慢 │很快│
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│火星试验│ 无明显现象│复燃│ 无明显现象 │火星亮些又暗下来│复燃│
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│││ 20min后气泡明显减 │ ││12min后气泡明显减
│
│反应时间│ 72h反应完 ││ 72h反应完
│ 48h反应完 ││
│││ 少，40min后反应完 │ ││少，40min后反应完
│
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│用K[，2]Cr[，2]O[，7]溶液和 │乙醚层蓝色，分解│乙醚层无色，分解彻底│乙醚层蓝色，分│乙醚层蓝色，分解│ 乙醚层无色，分解 │
│乙醚检查H[，2]O[，2]分 │不彻底 ││解不彻底 │不彻底 │彻底│
│解彻底与否 │││ │││
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│反应完瓷片、铜片│铜片变黑│ 瓷片由银亮色变黑色│瓷片棕红色不变│ 瓷片黑色不变 │黑色褪去，无脱落，液│
│ 情况 │││ ││体加碱有棕色沉淀│
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可见，对H[，2]O[，2]催化剂分解最快的是MnO[，2]，但它能与H[，2]O[，2]反应，随着MnO[，2]的消耗，催化效率逐渐下降；其次是Ag，虽然Ag也能与H[，2]O[，2]反应，但生成的Ag[，2]O也是极好的催化剂，且不易脱落，催化分解彻底；其余几种催化效果、效率都不理想。
进一步研究MnO[，2]的催化情况，实验如下：
（1）MnO[，2]催化剂的制作。
①取0.05g MnO[，2]粉末。②把5g KMnO[，4]分布于试管内壁加热一段时间后把渣倒出，试管内壁上留下一层稳固的棕黑色物质（MnO[，2]），或直接取用KMnO[，4]制取氧气实验留下的试管，用水洗去浮渣后可用。③取附有MnO[，2]的灼烧瓷片（制法如上所述）。④用一片有机玻璃浸于0.1％KMnO[，4]溶液中数天，待表面形成一层牢固的棕黑色层后取出可用。
（2）把这4种MnO[，2]催化剂连载体分别放入5mL5％H[，2]O[，2]，溶液中，情况如表2：
表2 MnO[，2]对H[，2]O[，2]分解的催化效率
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│催化剂（载体）│MnO[，2]粉末 │ NnO[，2]（试管） │ MnO[，2]（瓷片） │ MnO[，2]（塑料） │
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│ │ │ ││一般，使火星明亮，不能│
│反应情况 │ 剧烈，使火星复燃│ 剧烈，使火星复燃│ 剧烈，使火星复燃 │ │
│ │ │ ││复然 │
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│ 反应完所需时间（min）
│3.5
│15│20 │30│
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│用K[，2]Cr[，2]O[，7]溶液和乙醚检 │ 乙醚层五色，彻底│ 乙醚层无色，彻底│ 乙醚层蓝色，不彻底│12h后检查仍见乙醚层
│
│ 查H[，2]O[，2]分解彻底与否 │ │ ││蓝色，不彻底 │
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│反应完取液体加碱液试验│棕色沉淀 │棕色浑浊 │棕色沉淀│有浅棕色 │
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实验结果说明MnO[，2]对过氧化氢的分解有极好的催化作用，但催化剂的制作途径不同，其催化的效率也不同，这主要是接触面大小不同所造成的。对MnO[，2]来说以粉末状态的催化效率最高。
催化剂的用量对反应有否影响呢？为了探索这个问题，学生专门做了这样一组实验：每次均用10mL30％H[，2]O[，2]2溶液配制成10％溶液32mL，采用不同量的MnO[，2]粉末做催化剂，测定每次收集500mL氧气的时间，结果表明：同一种催化剂的不同用量在一定范围内对反应速度是有影响的；如果用MnO[，2]粉末做催化剂，其用量范围以每10mL30％H[，2]O[，2]溶液用0.2g～0.4g较为合适，按此溶液份量能制得氧气约1.1L。若采用启普发生器可用银瓷片做催化剂，由于其催化效率比MnO[，2]低，实验证明需要用80块～100块（按表面积2cm[2]/块计），且溶液浓度相应提高至20％，才能得到合适的反应速度。
2.溶液浓度、操作情况的影响
不同浓度过氧化氢溶液在相同条件下催化分解的时间及反应情况是否一样呢？开始我选取不同浓度H[，2]O[，2]溶液，然后放入相同份量的MnO[，2]粉末做催化剂，结果反应速度相差很大，且在反应中是否采取振动对反应速度也影响非常大，这些实验结果引起了学生极大兴趣。为探讨这一问题学生设计了这样一组测量，每次均用5.0mL30％H[，2]O[，2]溶液（配制成不同浓度溶液）及0.20gMnO[，2]粉末，在室温（20℃）下测定在试管中的反应时间，以导管在水中自冒泡至不再冒泡的时间为准，测定结果如表3：
表3 H[，2]O[，2]溶液浓度和操作对反应速度的影响
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││ 溶液体积 │││ │ │收得气体体│反应完液体 │
│溶液浓度│ │所用试管规格│操作情况│反应时间 │反应情况 │ ││
││ （mL） │││ │ │ 积（mL）│温度（℃） │
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│1％ │ 164.5
│ 32×200
│装置不动│11min 0s │反应较慢，后期极慢│539
│24 │
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││ ││ 振荡 │11min 0s │反应较慢，后期极慢│ ││
├────┼─────┼──────┼────┼─────┼───────────────┼─────┼──────┤
│3％ │
54.5
│ 25×200
│装置不动│3min 40s │反应较慢，后期很慢│543
│34 │
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││ ││ 振荡 │2min 30s │反应前期较快，后期较慢│ ││
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│5％ │
32.5
│ 20×200
│装置不动│3min 25s │反应较慢，后期很慢│548
│39 │
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││ ││ 振荡 │1min 14s │反应较快，后期很快│ ││
├────┼─────┼──────┼────┼─────┼───────────────┼─────┼──────┤
│
10％ │
16.0
│ 20×200
│装置不动│1min 20s │反应较快，后期很快│553
│56 │
├────┼─────┼──────┼────┼─────┼───────────────┼─────┼──────┤
││ ││ 振荡 │
17s│反应很快，收集的气体有白雾│ ││
├────┼─────┼──────┼────┼─────┼───────────────┼─────┼──────┤
│
15％ │
10.5
│ 20×200
│装置不动│
25s│反应很快，收集的气体有白雾│560
│65 │
├────┼─────┼──────┼────┼─────┼───────────────┼─────┼──────┤
││ ││ 振荡 │
7s │反应极快，收集的气体有大量白雾│ ││
├────┼─────┼──────┼────┼─────┼───────────────┼─────┼──────┤
│
20％ │
7.8│ 20×200
│装置不动│
9s │反应极快，收集的气体有大量白雾│562
│67 │
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││ ││ 振荡 │
6s │反应剧烈，收集的气体有大量白雾│ ││
├────┼─────┼──────┼────┼─────┼───────────────┼─────┼──────┤
│
25％ │
6.1│ 20×200
│装置不动│
4s │反应剧烈，收集的气体有大量白雾│563
│70 │
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│
30％ │
5.0│ 20×200
│装置不动│
3s │反应剧烈，收集的气体有大量白雾│563
│69 │
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把结果做成如图1所示。可见在相同条件下，溶液的浓度和操作情况对反应速度影响较大。后者则是在反应过程中有否振动反应器，由于振动时促使固液体充分混合，增大了作用的接触面，从而能使反应速度大大提高。如果收集气体1～2L并以1min～2min为合适（在这样的时间段内人们可从容地操作），则从图像分析可知，当装置不动时可选取8.4％～11.4％的溶液，当装置可振动时可选取3.2％～5.8％的溶液。在实验中我们发现，通常选用5％～10％溶液即可，在实际过程中用是否需要振荡及振荡次数、幅度大小来调节反应速度，使之符合实际需要，这样做既简便又见效。
图1 溶液浓度及操作与反应时间关系图
操作对反应的影响还包括：滴液速度（有些装置通过分液漏斗把H[，2]O[，2]溶液滴进盛有催化剂的反应器中的速度），显然，滴液速度大小制约着H[，2]O[，2]参加反应的量，因而控制着反应速度；还有反应前有否对MnO[，2]粉末做润湿处理，由于MnO[，2]粉末润湿需要一定的时间，当它还没有润湿透彻就随反应的气流鼓起时会形成过多的泡沫，这会对实验带来麻烦的，所以要加入少量水做润湿处理，以避免产生过多的泡沫。
3.反应装置的影响
使用装置中反应器盛液部分的截面大小不同对反应速度有否影响呢？开始我向学生演示采用不同装置进行相同的反应，结果显示反应速度差别很大，由此启发了学生的思维，他们设计了一些不同的容器用于反应并进行测量，以表4实验结果为例（每次用5mL30％H[，2]O[，2]配成不同浓度溶液，MnO[，2]粉末均为0.2g，在20℃室温下测定反应至结束的时间）：
表4 不同装置对反应速度的影响
┌─────┬─────┬─────────────┐
│ │ │反应时间 │
│ │ ├──────┬──────┤
│ 溶液浓度│ 操作情况│20×200试管 │60mL锥形瓶 │
│ │ │ 做反应器 │ 做反应器 │
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│5％
│ 装置不动│ 3min 25s │3min 5s │
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│ │振荡 │ 1min 10s │45s │
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│ │ 装置不动│ 1min 20s │55s │
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│10％ │ 装置不动│ 1min 20s │55s │
├─────┼─────┼──────┼──────┤
│10％ │ 装置不动│17s │50s │
├─────┼─────┼──────┼──────┤
│ │振荡 │7s │3s │
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盛液部分的横截面积为锥形瓶大于试管，从实验结果可知，其面积增大反应速度也增大。这是因为容器截面大有利于液体对流，使固液混合加快。但这仅对一般而言，在有的情况下例如3％溶液的反应，当装置保持不动时在试管中比在锥形瓶中反应快得多，这是因为在该条件下反应产生的气体上升时使液体自然形成的对流前者比后者大。所以装置对反应的影响问题实质上是反应中溶液与催化剂的接触程度问题，有利于固液混合的就能使反应加快。
三、组织成果交流
各小组将探究结果在大家面前进行了介绍，还当场做了演示实验。最后，把各部分研究成果汇集起来成为课题成果，该成果要点为：常温常压下对H[，2]O[，2]催化分解的影响主要有三大因素，即催化剂（又包括种类、状态、用量三方面）、溶液浓度和溶液与催化剂的接触面（又分为操作振荡、滴液速度及反应器截面等），因此在制取氧气过程中可以通过调节这些因素来控制反应速度。
本次研究性学习活动，通过学生自己提出问题，自行设计实验进行探讨，培养了学生的实验能力和创新思维，收到较好的效果。