溫度和催化劑對(duì)過(guò)氧化氫分解速率影響的探究

催化劑對(duì)過(guò)氧化氫分解速率影響的探究黃淡花20062401064化教2班組員陳耿峰一、 探究問(wèn)題的提出催化劑、溫度、濃度能影響化學(xué)反應(yīng)速率，不同催化劑對(duì)過(guò)氧化氫分解速率有何影響？二、 原理和問(wèn)題解決設(shè)想催化劑是一種可以改變反應(yīng)速率而本身不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)，它的使用能夠改變反應(yīng)途徑,降低反應(yīng)的活化能。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制變量法，用對(duì)比實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究不同催化劑對(duì)過(guò)氧化氫分解速率的影響，從而得出催化分解過(guò)氧化氫的最佳催化劑，并由此形成催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響的認(rèn)識(shí)。三、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾剿鞑煌呋瘎?duì)過(guò)氧化氫分解速率的影響，加深對(duì)催化劑催化功能的認(rèn)識(shí).通過(guò)設(shè)計(jì)不同催化劑對(duì)過(guò)氧化氫反應(yīng)速率的影響的試驗(yàn)，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)探究意識(shí)和探究技能.研究并選擇適合中學(xué)實(shí)驗(yàn)條件的催化劑.四、 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)（一） 實(shí)驗(yàn)儀器和藥品：藥品:濃度為30%的過(guò)氧化氫溶液，二氧化錳,氧化銅，三氧化二鐵，活性炭，氫氧化鈉固體，0.1mol/L的氯化銅溶液，0.1mol/L三氯化鐵溶液，0.1mol/L氯化氫溶液，0.1mol/LMnSO4溶液，40%NaOH溶液。儀器:酒精燈，具支試管，膠塞，導(dǎo)管，燒杯，藥匙，火柴，量筒（10ml），天平過(guò)氧化氫的物理性質(zhì):淡藍(lán)色粘稠液體，沸點(diǎn)150攝氏度，熔點(diǎn)-1攝氏度，水溶液穩(wěn)定，見(jiàn)光加熱加速分解.30%的過(guò)氧化氫有腐蝕性,3%的可做消毒劑.（二） 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象記錄1、探究不同催化劑對(duì)過(guò)氧化氫分解速率的影響（1） 先連接好裝置（具支試管用膠管連接導(dǎo)管插入裝水的燒杯中），然后在具支試管中先加入約3毫升30%的過(guò)氧化氫。（2） 迅速加入約0.1g二氧化錳，隨即塞上膠塞,觀察氣體逸出情況.（3） 同樣的，分別加入約0.1g氧化銅，三氧化二鐵，活性炭，氫氧化鈉固體，3滴0.1mol/L的氯化銅溶液，0.1mol/LMnSO4溶液，0.1mol/L三氯化鐵溶液，40%NaOH溶液，0.1mol/LMnSO4溶液.觀察現(xiàn)象，比較不同催化劑對(duì)過(guò)氧化氫分解速率的影響.物質(zhì)用量現(xiàn)象二氧化錳0.1g燒杯中導(dǎo)管口很快冒氣泡，且均勻，溶液顏色不變，反應(yīng)速率較快，反應(yīng)時(shí)間較短.氧化銅0.1g剛開(kāi)始試管里面有小氣泡生成，反應(yīng)速率很慢，導(dǎo)管口沒(méi)冒氣泡，過(guò)了很長(zhǎng)一段時(shí)間，看到導(dǎo)管口有氣泡生成，反應(yīng)速率逐漸加快，放熱。三氧化二鐵0.1g基本沒(méi)什么現(xiàn)象，對(duì)過(guò)氧化氫分解速率影響不大。活性炭0.1g沒(méi)明顯現(xiàn)象0.1mol/L的氯化銅溶液3滴剛開(kāi)始，有少量氣泡生成，反應(yīng)隨時(shí)間的增長(zhǎng)，越來(lái)越快，比氧化銅固體快，燒杯中的導(dǎo)管口有氣泡冒出，放熱。0.1mol/L三氯化鐵溶液3滴剛開(kāi)始，無(wú)明顯現(xiàn)象，反應(yīng)一段時(shí)間后，有氣泡生成，但導(dǎo)管口沒(méi)氣泡冒出氫氧化鈉固體0.1g固體溶解放出熱量，有氣泡生成，過(guò)一段時(shí)間后，反應(yīng)越來(lái)越快，燒杯中導(dǎo)管口開(kāi)始有氣泡冒出。40%NaOH溶3滴過(guò)了一會(huì)兒，有氣泡冒出，均勻，不過(guò)比二氧化錳慢些，放熱。液0.1mol/LMnSO4溶液3滴無(wú)明顯現(xiàn)象2.為了比較氯化銅溶液，三氯化鐵溶液用量對(duì)過(guò)氧化氫分解速率的影響，前面三滴三氯化鐵溶液確實(shí)沒(méi)多大變化，看不出有催化性，同時(shí)也為了探究三氯化鐵溶液中到底是哪種粒子起作用，我們做了如下探究。(1).在支試管中加入約3毫升30%的過(guò)氧化氫，分別加入一滴管的氯化銅溶液，三氯化鐵溶液,比較催化劑用量的不同對(duì)分解速率的影響.(2).在裝有約3毫升30%的過(guò)氧化氫支試管中加入一滴管的0.1mol/L氯化氫溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.物質(zhì)用量現(xiàn)象0.1mol/L的氯化銅溶液一滴管反應(yīng)劇烈，暴沸，導(dǎo)管口冒出大量氣泡，甚至倒吸，放出大量熱八、、0.1mol/L三氯化鐵溶液一滴管反應(yīng)劇烈，導(dǎo)管口冒出大量氣泡，放出大量熱0.1mol/L氯化氫溶液一滴管無(wú)明顯現(xiàn)象0.1mol/LMnSO4溶液一滴管無(wú)明顯現(xiàn)象五，實(shí)驗(yàn)討論1純凈的H2O2是淡藍(lán)色黏稠液體(沸點(diǎn)150，熔點(diǎn)-1°C)，純凈的H2O2長(zhǎng)期保存而只有微量分解。H2O2的水溶液較為穩(wěn)定，受熱見(jiàn)光加速分解，微量金屬(Fe、Cu、Cr、Mn等)離子及這些金屬的氧化物，非金屬元素的炭粉、塵埃、輻射都能促使過(guò)氧化氫分解；在堿性溶液中分解較快，pH為4時(shí)最穩(wěn)定。除此之外，血液也能加快H2O2的分解，因?yàn)檠褐泻羞^(guò)氧化氫酶，它能催化H2O2的分解，過(guò)氧化氫酶的生理作用還未徹底了解，已知它有4個(gè)Fe(III)卟啉中心，是高效的生物催化劑。在醫(yī)藥上3%的H2O2常作為外用消毒劑，當(dāng)皮膚有外傷時(shí)，用H2O2消毒常會(huì)發(fā)現(xiàn)傷口周?chē)袣馀莓a(chǎn)生，就是基于過(guò)氧化氫酶的催化作用。像土豆、豬肝等一些動(dòng)植物組織同樣也會(huì)有催化效果。鐵對(duì)濃度較高的過(guò)氧化氫具有弱的作用，對(duì)低的反而明顯。酶在最適溫度下，酶的活性最高，低于或高于最適溫度時(shí)酶的活性都降低。酶從具有催化作用的蛋白質(zhì)或xRNA，發(fā)展到有催化作用的有機(jī)過(guò)氧化氫酶物，是活細(xì)胞產(chǎn)生的一類具有催化作用的有機(jī)物，對(duì)H2O2的分解效果還是不錯(cuò)的。很多物質(zhì)如某些重金屬離子、強(qiáng)堿、活性炭等2本實(shí)驗(yàn)通過(guò)探究我們得出最適合的催化劑是二氧化錳，少量的二氧化錳對(duì)其催化效果明顯，且其生成的氣泡均勻，不像其他有些催化劑得等一段時(shí)間才冒氣泡，分解速率不太穩(wěn)定，不適合收集氧氣，有時(shí)還太快了?？紤]到中學(xué)演示實(shí)驗(yàn)，并且要收集氧氣，則反應(yīng)既要明顯又不能過(guò)快，再考慮經(jīng)濟(jì)原則---不浪費(fèi)藥品，還是二氧化錳最適合了。加催化劑催化分解，這種方法具有反應(yīng)不加熱、可選反應(yīng)速度范圍大、反應(yīng)過(guò)程可控制及成本低的優(yōu)點(diǎn)，是不錯(cuò)的選擇，還能節(jié)省能源。如想考慮成本更低的話，土壤、泥土、香煙灰、稻草灰或麥桿灰也能催化H2O2分解，這也是可以列在考慮范圍之內(nèi)的。3本實(shí)驗(yàn)我們做了氫氧化鈉固體對(duì)H2O2分解速率的影響，看到的現(xiàn)象是固體溶解放出熱量，有氣泡生成，過(guò)一段時(shí)間后，反應(yīng)越來(lái)越快，燒杯中導(dǎo)管口開(kāi)始有氣泡冒出，為了證明是溫度使其分解速率加快還是堿本身起均相催化作用，我們?cè)僭黾恿?0%NaOH溶液對(duì)H2O2分解速率的影響，發(fā)現(xiàn)過(guò)了一會(huì)兒，就有氣泡冒出，均勻，不過(guò)比二氧化錳慢些，放熱。從而發(fā)現(xiàn)原來(lái)堿真的能起到均相催化作用。堿催化過(guò)氧化氫分解機(jī)理〔15〕一般認(rèn)為堿性條件下，過(guò)氧化氫按下式機(jī)理分解：HM—OH—HOO--H2OH2O2-HOO O2+OH-+玦O由于第一步是可逆反應(yīng)，增加OH-離子濃度有利于HOO-離子的形成,從而加速分解反應(yīng)。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中引進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，有著積極的意義。在高中必修1有過(guò)氧化鈉與水反應(yīng)這個(gè)內(nèi)容，教材只寫(xiě)出一個(gè)方程式：2Na2O2+H2O2=4NaOH+O2。學(xué)生如果不了解反應(yīng)的實(shí)際過(guò)程，就會(huì)很容易錯(cuò)誤的把NaOH看做為還原產(chǎn)物。如果再做過(guò)氧化鈉與水反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，在補(bǔ)充上述的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)H2O2在堿的催化下速度加快。兩個(gè)實(shí)驗(yàn)相輔相成，引發(fā)學(xué)生興趣和積極思維，也有助于教師講解，說(shuō)明過(guò)氧化鈉與水是先生成氫氧化鈉和過(guò)氧化氫，然后過(guò)氧化氫在堿催化下立即分解為水和氧氣。這樣反應(yīng)的還原產(chǎn)物是水而不是氫氧化鈉，學(xué)生就更容易理解了，也容易接受。該實(shí)驗(yàn)操作也簡(jiǎn)單，產(chǎn)生氣流也平穩(wěn)，可以作為實(shí)驗(yàn)室制取少量氧氣的理想方法。這個(gè)實(shí)驗(yàn)完畢后的氫氧化鈉溶液也可回收利用，不會(huì)造成浪費(fèi)。4化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素有內(nèi)因和外因，內(nèi)因：化學(xué)反應(yīng)速率的大小主要決定于反應(yīng)物的性質(zhì)；夕卜界條件：溫度一溫度愈高反應(yīng)速率愈快；催化劑---能大大增加化學(xué)反應(yīng)速率；反應(yīng)氣體的壓強(qiáng)、固體反應(yīng)物的顆粒度、反應(yīng)物接觸面的大小等因素對(duì)反應(yīng)速率都有影響。過(guò)氧化氫在加熱或加催化劑的條件下分解成水和氧氣.絕大多數(shù)固體催化劑顆粒為多孔結(jié)構(gòu)，即顆粒內(nèi)部都是由許許多多形狀不規(guī)則、互相貫通的孔道所組成。顆粒內(nèi)部存在著巨大的內(nèi)表面，而化學(xué)反應(yīng)就發(fā)生在這些表面上，這是過(guò)氧化氫分解的原理。催化劑能夠改變其它化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率，包括加快和減慢，但本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生變化，本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不變并不是說(shuō)它不參加化學(xué)反應(yīng)，而是參加了又生成了,它的物理性質(zhì)可能變了，比如加入前是顆粒狀的，反應(yīng)后是粉末狀的。催化劑還有具有選擇性，而且只能改變反應(yīng)的快慢,不能改變最終產(chǎn)物的質(zhì)量。5本實(shí)驗(yàn)我們只是通過(guò)觀察現(xiàn)象進(jìn)行探究，為了現(xiàn)象比較明顯，我們還連接導(dǎo)管，通入裝水的燒杯中，通過(guò)觀察導(dǎo)管內(nèi)氣體逸出的快慢?，體現(xiàn)H2O2的分解速率。如果想進(jìn)一步更加準(zhǔn)確的比較，可搭裝置，通過(guò)測(cè)定每次收集到500mL氧氣時(shí)所用的時(shí)間來(lái)判斷。6在中學(xué)教學(xué)過(guò)程中,過(guò)氧化氫分解的實(shí)驗(yàn)主要說(shuō)明了催化劑可以改變化學(xué)反應(yīng)速率可以通過(guò)外界條件的改變控制化學(xué)反應(yīng)速率。探索不同催化劑對(duì)其速率的影響具有比較大的意義。7本實(shí)驗(yàn)當(dāng)中活性炭的催化作用沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)，原因是活性炭比表面積很大，表面吉布斯能很大，雙氧水本身不穩(wěn)定，吉布斯能已經(jīng)很大，加上活性炭，其總能量越過(guò)能壘，于是劇烈反應(yīng).但是如果活性炭暴露在空氣中的時(shí)間太長(zhǎng)就失效了.因?yàn)榛钚蕴恳孜脚R界溫度高的氣體，比如二氧化碳，（不易吸附氧氣和氮?dú)猓┞对诳諝庵泻?，活性炭表面吸附了二氧化碳后，要想催化就不容易?所以本次實(shí)驗(yàn)用活性炭催化沒(méi)有現(xiàn)象.8本實(shí)驗(yàn)我們探討了固體金屬氧化物對(duì)H2O2的分解速率的影響，看到的現(xiàn)象開(kāi)始并沒(méi)多大明顯現(xiàn)象，一段時(shí)間反應(yīng)加快了。金屬氧化物催化分解是一個(gè)復(fù)相反應(yīng)，反應(yīng)按形成含有離子游離基中間物機(jī)理進(jìn)行,Weisis提出了復(fù)相催化機(jī)理：S+HRl5,+0H+-OH也O『?OH—H少+-H02ShOifS+O?S+S4+HO2-S+HO2s、s+分別代表不帶電荷或帶電荷的金屬氧化物，所以根據(jù)以上反應(yīng)機(jī)理許多物質(zhì)都能催化快速分解制取，因?yàn)榇呋瘎┑幕咀饔檬请娮愚D(zhuǎn)移°H2O2在酸性條件下很穩(wěn)定，不易分解，實(shí)驗(yàn)室中的具有一定的酸性，所以有部分金屬氧化物會(huì)溶于H2O2，而絕大多數(shù)參與了復(fù)相反應(yīng)。因此CuO、Fe2O3等作催化劑時(shí)的溶液會(huì)呈現(xiàn)一定的顏色，反應(yīng)到一定程度，溶液的堿性也會(huì)越來(lái)越大，部分金屬離子如會(huì)產(chǎn)生沉淀，而且放出的大量的熱也引起反應(yīng)速度的不均勻。不過(guò)本實(shí)驗(yàn)我們Fe2O3會(huì)呈現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，說(shuō)明直接以金屬氧化物作催化劑效果并不理想，查閱文獻(xiàn)可知，可以以活性炭作為金屬氧化物催化劑的載體來(lái)提高反應(yīng)速度，因?yàn)榛钚蕴急旧砭哂写呋钚郧揖哂休^大的比表面，可以提高氧化物的催化效率。9金屬離子促進(jìn)過(guò)氧化氫分解反應(yīng)是基于產(chǎn)生活潑性很強(qiáng)的游離基所致。其反應(yīng)過(guò)程如下H2O2-Mh+ HO+HO+Mtn-iJ_H2O2-oh1 HOO■+H2OHOO-+ O2-H-M11-本實(shí)驗(yàn)我們還探究了三氯化鐵溶液中到底是哪種離子起到催化作用，考慮到H202溶液中有水，顯然水對(duì)過(guò)氧化氫的分解不起催化作用。我們采用控制變量，即 Fe3+或Cl-應(yīng)單獨(dú)存在，得出有催化作用的是Fe3+，為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，我們也增加了催化劑的量。其實(shí)H2O2的分解速率隨著Fe(III)水解時(shí)間的增加而降低，主要是由于隨著水解時(shí)間的延長(zhǎng)以自由離子和各級(jí)單核羥基絡(luò)合物Fe(a)形式存在的Fe(I)減少，降低了H2O2的催化分解速率.不同pH和水解時(shí)間對(duì)Fe(I)催化H2O2分解的影響是Fe(I)水解形態(tài)對(duì)H2O2催化分解影響的具體體現(xiàn),Fe(I)的存在形態(tài)Fe(a)對(duì)H2O2催化分解起主導(dǎo)作用.10本實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)大多數(shù)催化劑加大用量都會(huì)加快雙氧水的反應(yīng)速率。很多文獻(xiàn)說(shuō)Mn2+會(huì)催化雙氧水分解，但實(shí)際情況下我們用7MnSO4溶液來(lái)做實(shí)驗(yàn)，卻看不到什么現(xiàn)象，由于藥品有限，本來(lái)還想找其他藥品比如MnCl2等試試，沒(méi)進(jìn)行下一步探究，這個(gè)問(wèn)題還有待于深入研究。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與反思通過(guò)本實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，相比前幾次的中教實(shí)驗(yàn)，我學(xué)到了更多東西。本來(lái)我們的探究實(shí)驗(yàn)是有探討溫度，反應(yīng)物等因素對(duì)雙氧水的影響，但做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)探討催化劑比較有實(shí)際意義，我們就沒(méi)探討這些了。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)我們知道了理論跟實(shí)際往往是有差距，我們?cè)谧鲆恍┦碌臅r(shí)候，要付諸實(shí)踐，才能得出更好的結(jié)論。這次實(shí)驗(yàn)讓我們知道了催化劑對(duì)雙氧水的催化作用確實(shí)是一個(gè)很可以探討的問(wèn)題，能催化雙氧水的催化劑確實(shí)很多，每種的催化效果都不一樣。催化劑這一個(gè)點(diǎn)，前面我也有提到過(guò)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)還可以找一些生物酶、土壤、泥土等來(lái)當(dāng)催化，看其效果如何。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)我以后的教學(xué)也有一定的幫助，我們從中得出這樣的結(jié)論：在進(jìn)行性質(zhì)教學(xué)時(shí)，要對(duì)同學(xué)說(shuō)清楚，H2O2其實(shí)很穩(wěn)定，只有在有雜質(zhì)的條件下才會(huì)發(fā)生明顯的分解，但大多數(shù)雜質(zhì)的催化分解能力也不是很強(qiáng)。故在有H2O2生成的實(shí)驗(yàn)中，不可能一下子分解完全，在常溫下大多數(shù)過(guò)氧化物和水或酸反應(yīng)后仍然會(huì)得到過(guò)氧化氫。若課堂教學(xué)時(shí)，利用雙氧水制備氧氣時(shí)，選擇二氧化錳作催化劑時(shí)，要注意量不能多加，最好也對(duì)雙氧水進(jìn)行稀釋，這樣才會(huì)比較快的收集到氧氣，且不影響教學(xué)進(jìn)度。參考文獻(xiàn)：[1]文慶城.化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[M].科學(xué)出版社，2003：119-123⑵周勇，余麗瓊，文豐玉.CuO對(duì)H2O2的催化作用探討[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2004,19(6):54-57姜成春，龐素艷，江進(jìn).Fed)催化過(guò)氧化氫分解影響因素分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007,27(7):1197-1202戚萬(wàn)友.H2O2分解的催化劑代用品的研究[J].實(shí)驗(yàn)與制作,34陳承聲，區(qū)永麟.利用手持技術(shù)探究過(guò)氧化氫的分解[J].廣東教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2007,27(3):60-63盛亮,楊淑蕙.鐵離子對(duì)過(guò)氧化氫催化分解的影響[