对加热氯酸钾制氧气实验中催化剂的研究，本文主要内容关键词为：氯酸钾论文,催化剂论文,制氧论文，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。
1 实验目的
在日常中学教学实验中，一般都是以氯酸钾与二氧化锰共热来制取氧气。其中二氧化锰作为催化剂，其在反应前后的质量和性质不变。那么二氧化锰在反应中究竟起了什么作用？其催化作用又如何？有没有比它更好的催化剂呢？我们决定以实验来找出问题的答案。
2 实验报告
2.1 不同催化剂对催化效果的影响
分别称取八份KClO[,3]，再分别称取Cr[,2]O[,3]、Fe[,2]O[,3]、CuO、MnO[,2]、SiO[,2]、ZnO、CaO、Al[,2]O[,3]各一份。按质量以一比五将氧化物分别跟KClO[,3]均匀混合后，倒入研钵中碾细，使反应物充分接触。
按附图装配好试验装置，检查装置的气密性。把八种混合物分别装入八支干燥的试管中，然后按顺序用酒精灯加热。用同一酒精灯加热，控制酒精灯火焰大小一致，火焰跟试管的距离一致。
（注意事项：用排水法测定氧气体积时注意两点：第一，要冷却到室温。第二，要使量筒里的水面跟集气瓶里的水面高度保持水平，这样才能使集气瓶内的压强跟外界大气压强相等。）
记录从反应开始到结束所用的时间，加以整理并绘成下表。
催化剂 KClO[,3]用量/g 催化剂用量/g时间/s 反应现象
MnO[,2] 0.50.1 47红热现象
CuO 0.50.1 49红热现象
Fe[,2]O[,3] 0.50.1 57稳定
Cr[,2]O[,3] 0.50.1 67由绿变黄
Al[,2]O[,3] 0.50.1 84较慢
CaO 0.50.1 136
缓慢
ZnO 0.50.1 180 由白变黄,后又变白
SiO[,2] 0.50.1 181 缓慢
（红热现象：反应中有红色火光，接着反应剧烈，在短时间内结束。）
根据上表内容，我们可以得知MnO[,2]、CuO、Fe[,2]O[,3] 的催化效果都不错，但使用Fe[,2]O[,3]作催化剂反应更稳定，速度适中， 便于收集氧气。所以我们决定以Fe[,2]O[,3]作催化剂进行实验：
2.2 催化剂的不同用量对催化效果的影响
称取4份0.5g的KClO[,3]，再分别称取0.1g、0.2g、0.4g、0.6g Fe[,2]O[,3]。然后使4份Fe[,2]O[,3]分别跟4份KClO[,3]按实验1 的方法混合均匀。
把4份混合物分别装入4支试管中进行试验，记录从加热到产气终了的时间和产氧量。
编号KClO[,3]/gFe[,2]O[,3]/g 质量比时间/s体积/mL 现象
1 0.5
0.1 5:1
57137熔化
2 0.5
0.2 5:2
58145熔化
3 0.5
0.4 5:4
54150不熔化
4 0.5
0.6 5:6
60151不熔化
在上述实验中，我们可以看到当氧化铁与氯酸钾质量比大于4∶5时，氯酸钾不熔化便放出氧气。由于氯酸钾熔化反应时会使反应不完全，反应后氯酸钾在试管壁上结晶，而且容易造成试管破裂。假如氯酸钾不熔化就放出氧气，就可以避免这些不利因素。
2.3 不同催化剂使氯酸钾不熔化放出氧气所需用量
由于氯酸钾能不熔化就放出氧气，我们就测试一下各种催化剂在其不熔化状态下放出氧气所需的用量：
催化剂 KClO[,3]用量/g 催化剂用量/g 比例
MnO[,2] 0.50.50 1:1
CuO 0.50.40 1:0.8
Fe[,2]O[,3] 0.50.40 1:0.8
Cr[,2]O[,3] 0.50.75 1:1.5
Al[,2]O[,3] 0.50.35 1:0.7
CaO 0.50.35 1:0.7
ZnO 0.50.70 1:1.4
SiO[,2] 0.50.75 1:1.5
另外，我们在指导老师的建议下，决定在经济方面再对各种催化剂作一下比较，得到下列数据：
催化剂催化剂单价/元·千克[-1] 比例 所需价格/元·千克[-1]
MnO[,2] 961:1 96
CuO 881:0.870.4
Fe[,2]O[,3] 281:0.822.4
Cr[,2]O[,3] 292
1:1.5438
Al[,2]O[,3] 491:0.734.3
CaO 11.5 1:0.78.05
ZnO / 1:1.4/
SiO[,2] 13.2 1:1.519.8
注：由于资料不足，氧化锌的价格暂时无法得到。
通过上表我们可以清楚地看到，在催化效果较好的MnO[,2]、CuO、Fe[,2]O[,3]中，Fe[,2]O[,3]的价格要远远比MnO[,2]和CuO便宜，更为经济实惠。同组的CaO、SiO[,2]虽然价格更低，但由于其催化效果较差，所以不于考虑。
2.4 反应物颗粒大小对反应的影响
在实验过程中，我们发现反应物颗粒大小对反应也有影响，所以我们用不同颗粒的氯酸钾做了以下一组实验：
按同样方法将氯酸钾用筛子分成四种不同半径的颗粒，再与氧化铁以5∶4的质量比均匀混合。按同样方法实验数次，取平均值得到下列数据：
氯酸钾颗粒大小 反应时间/s氧气体积/mL反应现象
大颗粒76 140熔化、红热
小颗粒55 150熔化、红热
20目颗粒 50 150熔化、红热
80目颗粒 50 150
不溶化、有火星
从这一组实验得知，反应物颗粒越小，反应越完全。
结论：根据以上各组实验数据，我们认为在反应的稳定性及催化效果和经济因素等多方面考虑下，使用氧化铁作为催化剂是比较合理的。因为，从催化效果来看，以氧化铁或氧化铜和二氧化锰作为催化剂的催化效果都比较好。但是从经济方面来说，氧化铁的价格要比其他两种催化剂便宜得多，十分经济实惠。既然有如此高效率又经济的催化剂，为何不在日常教学中推广使用呢？所以，我们建议可以在日常教学中以氧化铁为催化剂取代原有的二氧化锰来制取氧气。
由以上几种氧化物的催化效果来看，其中存在这样一些规律：过渡元素的氧化物催化性能要比主族元素的催化性能好。根据其反应机理来看，金属元素在反应时先失电子被氧化，然后再得电子还原为原来的价态。再根据元素核外电子构型来看，副族元素的次外层电子不饱和，处于一种不稳定状态，比次外层电子饱和的主族元素更易失电子，因此其催化效果较好。（只有锌除外，因为它的外层点子构型为3d[10]4s[2]，均达到充满，不易失电子，因此催化效果较差。）
3 实验后的感想
在实验中，我们接连遇到许多难以理解的问题，一时不能解释，于是我们便请教指导老师，边实验边研究，用理论加实验来解决一系列问题。由此我们懂得了实践出真理的道理。只要勤奋钻研，勇于创新，就一定会获得新的收获。