催化劑對分解過氧化氫制氧氣影響因素的探究

廣東省恩平市君堂鎮江洲圩江洲中學 劉曉光

一、實驗過程

1.實驗目的

①通過實驗，找出分解過氧化氫的最佳催化劑。

②熟練掌握制取和收集氧氣的方法及規范操作。

③實習氧氣制取演示實驗的方法。

④初步探索制取氧氣實驗的影響因素。

2.實驗原理：

3.實驗器材及藥品

試管、單孔膠塞的導管、秒表、電子天平、藥匙、量筒、鐵架臺等

實驗藥品：5%的過氧化氫溶液、二氧化錳、氧化銅、氧化鐵、豬肝等。

4.實驗步驟

①按實驗裝置圖所示安裝好儀器；

②檢查裝置氣密性，往量筒中注滿水；

③取3%過氧化氫溶液20ml，分成5等份，每份4ml，分別裝人已經準備好的5支試管當中.在5支試管當中分別加人等量的二氧化錳、氧化銅、紅磚粉、氧化鐵、豬肝。

④分別加熱這5支試管，從導管口出現第一個氣泡時開始計時，記錄當過氧化氫反應完量筒中的水的體積及所用的時間；（保證反應的除催化劑的量外其他條件一致）

⑥分析結果。

5.實驗數據記錄與分析

數據記錄：

二氧化錳氧化銅 氧化鐵 紅磚粉 豬肝反應程度很快 較慢 很慢 很慢 較快反應時間10min 60min 80min 85min 25min

可見，對H2O2催化分解最快的是MnO2.

為進一步研究MnO2的催化情況，我做了如下實驗：

①MnO2催化的制作。

a．取0.2g MnO2粉末。

b．把5gKMnO4分布于試管內壁加熱一段時間后把渣倒出，試管內壁上留下一層穩固的棕黑色物質（MnO2），或直接取用KMnO4制取氧氣實驗留下的試管，用水洗去浮渣后可用。

c．取附有MnO2的灼燒瓷片。

d．用一片有機塑料袋灼燒，然后粘附二氧化錳粉末，讓其形成塊狀。

②把這4種MnO2催化劑連載體分別放入5m15%H2O2溶液中，情況如下：

催化劑（載體）MnO2粉末 MnO2 （試管）MnO2 （瓷片）MnO2 （塑料袋）反應情況 劇烈，使火星復燃劇烈，使火星復燃劇烈，使火星復燃平穩，是火星復燃反應完所需時間（min）3．5 12 18 5

實驗結果說明MnO2對過氧化氫的分解有極好的催化作用，但催化劑的制作途徑不同，其催化的效率也不同，這主要是接觸面大小不同所造成的。對MnO2來說以粉末狀態的催化效率最高。但是由于接觸面積太大，導致反應速率太劇烈，反而塑料袋粘附的二氧化錳粉末，反應的更平穩。

催化劑的用量對反應有否影響呢？為了探索這個問題，我做了這樣一組實驗：每次均用10mL30%H2O2溶液配制成10%溶液32mL，采用不同量的MnO2粉末作催化劑，測定各次收集500ml氧氣的時間，結果如下：

MnO20．1 0．2 0．3 0．4 0．5 0．6 0．7 0．8 0．9 1.0粉末用量（g）產生17 8 7 5 3 3 2 2 2 2 500 mL氧氣時間（s）

結果表明：同一種催化劑的不同用量在一定范圍內對反應速度是有影響的。

二、溶液濃度、操作情況的影響

為探討不同濃度H2O2溶液在相同條件下催化分解的時間及反應情況，本人做了如下實驗，每次均用5．0mL30%H2O2溶液（配制成不同濃度溶液）及0.2g MnO2粉末，在室溫（20℃）下測定在試管中的反應時間，以導管在水中自冒泡至不再冒泡的時間為準，測定結果如下表：

溶液濃度%溶液體積/ml所用試管規格/mm操作情況反應時間反應情況收得氣體體積/ml反應完液體溫度/℃裝置不1 0 m i n反應較動5s慢，后期極慢1 164．5 32×200振蕩 1 0 m i n反應較539 24 5s慢，后期極慢裝置不3 m i n反應較動40s慢，后期很慢振蕩 2 m i n反應前3 54．4 25×20030s期 較543 34快，后期較慢裝置不3 m i n反應較動25s慢，后期很慢5 32．5 20×200振蕩 1 m i n反應較548 39 14s快，后期很快裝置不1 m i n反應較動20s快，后期很快10 16．0 20×200振蕩 17s 反應很553 56快，收集的氣體有白霧裝置不25s 反應很動快，收集的氣15 10．5 20×200體有白560 65霧振蕩 7s 反應很快，收集的氣體有大量白霧裝置不9s 反應很動快，收集的氣20 7．8 20×200體有大562 67量白霧振蕩 6s 反應劇烈，收集的氣體有大量白霧反應劇25 6．1 20×200 裝置不4s烈，收563 70動集的氣體有大量白霧

把結果做成圖象?？梢娫谙嗤瑮l件下，溶液的濃度和操作情況對反應速度影響較大。后者則是在反應過程中振動反應器，由于振動時促使固液體充分混合，增大了接觸面，從而使反應速度大大提高。如果收集氣體l—2L并以1—2min為適度（在這樣的時間段內人們可從容地操作），則從圖象分析可知，當裝置不動時可選取8．4%—11．4%的溶液，當裝置可振動時可選取3．2%—5．8%的溶液。這并非絕對不變的，若出于一些反應的需要可視實際情況選用相應濃度的溶液，通常選用5%—10%溶液即可，在實際過程中用是否需要振蕩及振蕩次數、幅度大小來調節反應速度，使之符合人們的需要，這樣做既簡便又見效。

綜上所述，常溫常壓下對H2O2催化分解的影響主要有三大因素：催化劑（包括種類、狀態、用量三方面）溶液濃度和溶液與催化劑的接觸面。因此在制取氧氣過程中可以通過調節這些因素來控制反應速度。