由过氧化氢制氧气探究催化剂对反应速率的影响

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  摘要:在新课程改革下“绿色化学”理念已被大多数教师接受并应用于教学之中,对未来学生情感、态度、价值观的培养起着重要作用.本文基于此理念从H2O2分解制备氧气的“绿色”法入手探究不同催化剂对反应速率的影响,以及对实验中的一些现象进行探讨.
  关键词:过氧化氢;催化剂;反应速率
  作为新课程改革中“绿色化学”理念的一个应用,中学化学的氧气制备实验,由原来的MnO2催化KClO3在加热条件下反应,变为了常温下由MnO2催化H2O2分解的反应.实验本身实现了零污染,而且在常温下进行反应也节约了能源,是对“绿色化学”理念的有力支撑.
  温度、压强、催化剂对H2O2的分解速率都会产生很大的影响,控制好反应条件才能取得比较好的实验效果.本实验在常温下,用不同的催化剂催化H2O2分解产生一定体积氧气,所用时间长短就能评价不同催化剂的催化效果.
  一、实验原理
  2H2O212H2O+ O2↑
  二、实验仪器与试剂
  仪器:托盘天平、圆底烧瓶、铁架台(带铁夹)、橡皮塞(双孔、三孔)、橡胶管、玻璃导管、水槽、量筒(10 mL、100 mL)、分液漏斗、压力传感器、秒表等.
  试剂:H2O2(30%浓度,分析纯)、二氧化锰、重铬酸铵、氧化铜、氧化钙、氢氧化钙、氧化铁、碳酸钙、氧化铝.
  三、实验过程
  1.三氧化二铬制备以及H2O2的稀释:加热重铬酸铵,分解即得三氧化二铬;按H2O∶H2O2=5∶1的比例稀释,即得5%浓度的H2O2溶液(查文献得5%H2O2,在催化分解时反应速率适中,符合精确量气要求).
  2.按装置图连接仪器,并检验装置气密性.
  五、实验结论
  从实验结果可以看出,MnO2、Cr2O3对于H2O2分解具有良好的催化作用,可以应用于课堂演示实验中快速催化制备O2,而其他催化剂也有一定的催化作用,但是不能满足课堂教学快速反应的要求,且需要较多的H2O2溶液,不能体现“经济”性原则.通过本实验可以很好的让学生认识到不同催化剂对反应速率的影响,可以让他们感受合理选择催化剂对控制反应速率的重要影响,并播下“绿色化学、绿色试验”的人文种子,寓教于乐,从实验中收获情感目标的突破.
  六、补充说明
  1.实验发现H2O2滴入速率会严重影响气泡(氧气)产生的速率,所以实验记录了滴入时间,并计算了每分钟H2O2的滴入速率(毫升/分).
  2.由于整个实验装置处于密闭状态,气压也是影响气泡(氧气)产生速率的一个重要原因,在Cr2O3实验组中,笔者用压力传感器记录了10 mL H2O2滴完,分液漏斗活塞关闭前、后装置内部压力变化(由98.96Kp→101.69Kp),发现当活塞关闭后装置内部压力上升,产生的气泡急剧减少,导致量气装置液面无明显下降.因此对于除了MnO2(催化效率极高)外的实验组,采用滴加20 mL H2O2以避免未能收集到20 mL O2而H2O2滴完,被迫关闭分液漏斗活塞的情况发生.
  参考文献:
  [1]史小侠.过氧化氢分解常见问题解答.中国教育技术装备,2010(14).
  [2]鲍正荣,文丰玉,高成,等.中学化学新课程实验技术.科学出版社:237.
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