温度和催化剂对过氧化氢分解速率影响的探究

温度和催化剂对过氧化氢分解速率影响的探究 黄淡花 20062401064 化教2班 组员 陈耿峰 催化剂、温度、浓度能影响化学反应速率，不同催化剂对过氧化氢分解速率有何影响？ 催化剂是一种可以改变反应速率而本身不发生化学反应的物质，它的使用能够改变反应途径,降低反应的活化能。本实验通过控制变量法，用对比实验进行探究不同催化剂对过氧化氢分 解速率的影响，从而得出催化分解过氧化氢的最佳催化剂，并由此形成催化剂对化学反应速 率的影响的认识。 1.探索不同催化剂对过氧化氢分解速率的影响,加深对催化剂催化功能的认识. 2.通过不同催化剂对过氧化氢反应速率的影响的试验,增强实验探究意识和探究技能. 3.研究并选择适合中学实验条件的催化剂. 药品:浓度为30%的过氧化氢溶液,二氧化锰,氧化铜,三氧化二铁,活性炭,氢氧化钠固体，0.1mol/L的氯化铜溶液，0.1mol/L三氯化铁溶液，0.1mol/L氯化氢溶液，0.1mol/L MnSO4溶液，40% NaOH溶液。 仪器:酒精灯,具支试管,胶塞,导管,烧杯,药匙,火柴，量筒（10ml），天平 过氧化氢的物理性质:淡蓝色粘稠液体,沸点150摄氏度,熔点-1摄氏度,水溶液稳定,见光加热加速分解.30%的过氧化氢有腐蚀性,3%的可做消毒剂. 1、探究不同催化剂对过氧化氢分解速率的影响 （1）先连接好装置（具支试管用胶管连接导管插入装水的烧杯中），然后在具支试管中先加 入约3毫升30%的过氧化氢。 （2）迅速加入约0.1g二氧化锰,随即塞上胶塞,观察气体逸出情况. （3）同样的，分别加入约0.1g氧化铜,三氧化二铁 , 活性炭，氢氧化钠固体，3滴0.1mol/L的氯化铜溶液，0.1mol/L MnSO4溶液，0.1mol/L三氯化铁溶液，40% NaOH溶液，0.1mol/L MnSO4溶液.观察现象,比较不同催化剂对过氧化氢分解速率的影响. 物质 用量 现象 二氧化锰 0.1g 烧杯中导管口很快冒气泡，且均匀，溶液颜色不变，反应速率较快， 反应时间较短. 氧化铜 0.1g 刚开始试管里面有小气泡生成，反应速率很慢，导管口没冒气泡，过 了很长一段时间，看到导管口有气泡生成，反应速率逐渐加快，放热。 三氧化二铁 0.1g 基本没什么现象，对过氧化氢分解速率影响不大。 活性炭 0.1g 没明显现象 0.1mol/L的3滴 刚开始，有少量气泡生成，反应随时间的增长，越来越快，比氧化铜 氯化铜溶液 固体快，烧杯中的导管口有气泡冒出，放热。 0.1mol/L三3滴 刚开始，无明显现象，反应一段时间后，有气泡生成，但导管口没气 氯化铁溶液 泡冒出 氢氧化钠固0.1g 固体溶解放出热量，有气泡生成，过一段时间后，反应越来越快，烧 体 杯中导管口开始有气泡冒出。 40% NaOH溶3滴 过了一会儿，有气泡冒出，均匀，不过比二氧化锰慢些，放热。 液 0.1mol/L 3滴 无明显现象 MnSO4溶液 2.为了比较氯化铜溶液，三氯化铁溶液用量对过氧化氢分解速率的影响，前面三滴三氯化铁 溶液确实没多大变化，看不出有催化性，同时也为了探究三氯化铁溶液中到底是哪种粒子起 作用，我们做了如下探究。 (1).在支试管中加入约3毫升30%的过氧化氢,分别加入一滴管的氯化铜溶液，三氯化铁溶液, 比较催化剂用量的不同对分解速率的影响. (2).在装有约3毫升30%的过氧化氢支试管中加入一滴管的0.1mol/L氯化氢溶液,观察实验现象. 物质 用量 现象 0.1mol/L的氯一滴管 反应剧烈，暴沸，导管口冒出大量气泡，甚至倒吸，放出大量 化铜溶液 热 0.1mol/L三氯一滴管 反应剧烈，导管口冒出大量气泡，放出大量热 化铁溶液 0.1mol/L氯化一滴管 无明显现象 氢溶液 0.1mol/L 一滴管 无明显现象 MnSO4溶液 1纯净的H2O2是淡蓝色黏稠液体（沸点150，熔点-1?），纯净的H2O 2 长期保存而只有微量分解。H2O2的水溶液较为稳定，受热见光加速分解，微量金属（Fe、Cu、Cr、Mn等）离子及这些金属的氧化物，非金属元素的炭粉、尘埃、辐射都能促使过氧化氢分解；在碱性 溶液中分解较快，pH为4时最稳定。除此之外，血液也能加快H2O2的分解，因为血液中含有过氧化氢酶，它能催化H2O2的分解，过氧化氢酶的生理作用还未彻底了解，已知它有 4个Fe（?）卟啉中心，是高效的生物催化剂。在医药上3%的H2O2常作为外用消毒剂，当皮肤有外伤时，用H2O2消毒常会发现伤口周围有气泡产生，就是基于过氧化氢酶的催化 作用。像土豆、猪肝等一些动植物组织同样也会有催化效果。铁对浓度较高的过氧化氢具有 弱的作用，对低的反而明显。酶, 在最适温度下，酶的活性最高，低于或高于最适温度时酶 的活性都降低。酶从具有催化作用的蛋白质或xRNA，发展到有催化作用的有机过氧化氢酶 物，是活细胞产生的一类具有催化作用的有机物，对H2O2的分解效果还是不错的。 很多物质如某些重金属离子、强碱、活性炭等 2 本实验通过探究我们得出最适合的催化剂是二氧化锰，少量的二氧化锰对其催化效果明 显，且其生成的气泡均匀，不像其他有些催化剂得等一段时间才冒气泡，分解速率不太稳定， 不适合收集氧气，有时还太快了。考虑到中学演示实验,并且要收集氧气,则反应既要明显又不能过快,再考虑经济原则---不浪费药品,还是二氧化锰最适合了。加催化剂催化分解，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，是不错的 选择，还能节省能源。如想考虑成本更低的话，土壤、泥土、香烟灰、稻草灰或麦杆灰也能 催化H2O2分解，这也是可以列在考虑范围之内的。 3本实验我们做了氢氧化钠固体对H2O2分解速率的影响，看到的现象是固体溶解放出热量， 有气泡生成，过一段时间后，反应越来越快，烧杯中导管口开始有气泡冒出，为了证明是温 度使其分解速率加快还是碱本身起均相催化作用，我们再增加了40%NaOH溶液对H2O2分解速率的影响，发现过了一会儿，就有气泡冒出，均匀，不过比二氧化锰慢些，放热。从而发 现原来碱真的能起到均相催化作用。 碱催化过氧化氢分解机理〔15〕 一般认为碱性条件下,过氧化氢按下式机理分解: 由于第一步是可逆反应,增加OH- 离子浓度有利于HOO- 离子的形成,从而加速分解反应。 在中学化学教学中引进这个实验，有着积极的意义。在高中必修1有过氧化钠与水反应这个，教材只写出一个方程式：2Na2O2+H2O2 = 4NaOH +O2。学生如果不了解反应的实际过 程，就会很容易错误的把NaOH看做为还原产物。如果再做过氧化钠与水反应的实验，在补 充上述的实验，证实H2O2在碱的催化下速度加快。两个实验相辅相成，引发学生兴趣和积 极思维，也有助于教师讲解，说明过氧化钠与水是先生成氢氧化钠和过氧化氢，然后过氧化 氢在碱催化下立即分解为水和氧气。这样反应的还原产物是水而不是氢氧化钠，学生就更容 易理解了，也容易接受。该实验操作也简单，产生气流也平稳，可以作为实验室制取少量氧 4化学反应速率的影响因素有内因和外因，内因：化学反应速率的大小主要决定于反应物的气的理想方法。这个实验完毕后的氢氧化钠溶液也可回收利用，不会造成浪费。 性质；外界条件：温度—温度愈高反应速率愈快；催化剂---能大大增加化学反应速率；反应 气体的压强、固体反应物的颗粒度、反应物接触面的大小等因素对反应速率都有影响。 过氧化氢在加热或加催化剂的条件下分解成水和氧气.绝大多数固体催化剂颗粒为多孔结构， 即颗粒内部都是由许许多多形状不规则、互相贯通的孔道所组成。颗粒内部存在着巨大的内 面，而化学反应就发生在这些表面上，这是过氧化氢分解的原理。催化剂能够改变其它化 学反应的反应速率, 包括加快和减慢，但本身的质量和化学性质不发生变化，本身的质量和 化学性质不变并不是说它不参加化学反应,而是参加了又生成了,它的物理性质可能变了,比如加入前是颗粒状的,反应后是粉末状的。催化剂还有具有选择性，而且只能改变反应的快 慢,不能改变最终产物的质量。 5本实验我们只是通过观察现象进行探究，为了现象比较明显，我们还连接导管，通入装水 的烧杯中，通过观察导管内气体逸出的快慢.，体现H2O2的分解速率。如果想进一步更加 准确的比较，可搭装置，通过测定每次收集到500mL氧气时所用的时间来判断。 6在中学教学过程中,过氧化氢分解的实验主要说明了催化剂可以改变化学反应速率,可以通过外界条件的改变控制化学反应速率。探索不同催化剂对其速率的影响具有比较大的意义。 7 本实验当中活性炭的催化作用没有体现出来，原因是活性炭比表面积很大，表面吉布斯 能很大，双氧水本身不稳定，吉布斯能已经很大，加上活性炭，其总能量越过能垒，于是剧 烈反应.但是如果活性炭暴露在空气中的时间太长就失效了.因为活性炭易吸附临界温度高的 气体，比如二氧化碳，（不易吸附氧气和氮气），暴露在空气中后，活性炭表面吸附了二氧化 碳后，要想催化就不容易了.所以本次实验用活性炭催化没有现象. 8 本实验我们探讨了固体金属氧化物对H2O2的分解速率的影响，看到的现象开始并没多大 明显现象，一段时间反应加快了。金属氧化物催化分解是一个复相反应,反应按形成含有离子游离基中间物机理进行,Weisis提出了复相催化机理: S、S+分别代表不带电荷或带电荷的金属氧化物，所以根据以上反应机理许多物质都能催化 快速分解制取，因为催化剂的基本作用是电子转移。H2O2在酸性条件下很稳定，不易分解， 实验室中的具有一定的酸性，所以有部分金属氧化物会溶于H2O2， 而绝大多数参与了复相反应。因此CuO、Fe2O3等作催化剂时的溶液会呈现一定的颜色，反应到一定程度，溶 液的碱性也会越来越大，部分金属离子如会产生沉淀，而且放出的大量的热也引起反应速度 的不均匀。不过本实验我们Fe2O3会呈现这样的现象，说明直接以金属氧化物作催化剂效 果并不理想，查阅文献可知，可以以活性炭作为金属氧化物催化剂的载体来提高反应速度， 9 金属离子促进过氧化氢分解反应是基于产生活泼性很强的游离基所致。其反应过程如下 因为活性碳本身具有催化活性且具有较大的比表面，可以提高氧化物的催化效率。 本实验我们还探究了三氯化铁溶液中到底是哪种离子起到催化作用，考虑到H0溶液中223+—有水，显然水对过氧化氢的分解不起催化作用。我们采用控制变量，即Fe或Cl 3+ 应单独存在，得出有催化作用的是Fe，为了使实验现象明显，我们也增加了催化剂的 量。其实H2O2的分解速率随着Fe ( ?) 水解时间的增加而降低,主要是由于随着水解时间的延长以自由离子和各级单核羟基络合物Fe ( a) 形式存在的Fe ( ?) 减少,降低了H2O2的催化分解速率.不同pH 和水解时间对Fe ( ?) 催化H2O2分解的影响是Fe ( ?) 水解形态对H2O2催化分解影响的具体体现, Fe ( ?) 的存在形态Fe ( a) 对H2O2催化分解起主导作用. 本实验我们发现大多数催化剂加大用量都会加快双氧水的反应速率。很多文献说Mn2+会催化双氧水分解，但实际情况下我们用了MnSO4溶液来做实验，却看不到什么现象，由于药 品有限，本来还想找其他药品比如MnCl2等试试，没进行下一步探究，这个问题还有待于深 入研究。 通过本实验的学习，相比前几次的中教实验，我学到了更多东西。本来我们的探究实验是有 探讨温度，反应物等因素对双氧水的影响，但做实验的时候发现探讨催化剂比较有实际意义， 我们就没探讨这些了。通过本实验我们知道了理论跟实际往往是有差距，我们在做一些事的 时候，要付诸实践，才能得出更好的结论。这次实验让我们知道了催化剂对双氧水的催化作 用确实是一个很可以探讨的问题，能催化双氧水的催化剂确实很多，每种的催化效果都不一 样。催化剂这一个点，前面我也有提到过，这个实验还可以找一些生物酶、土壤、泥土等来 当催化，看其效果如何。本次实验对我以后的教学也有一定的帮助，我们从中得出这样的结 论：在进行性质教学时，要对同学说清楚，H2O2其实很稳定，只有在有杂质的条件下才会 发生明显的分解，但大多数杂质的催化分解能力也不是很强。故在有H2O2生成的实验中，不可能一下子分解完全，在常温下大多数过氧化物和水或酸反应后仍然会得到过氧化氢。若 课堂教学时，利用双氧水制备氧气时，选择二氧化锰作催化剂时，要注意量不能多加，最好 也对双氧水进行稀释，这样才会比较快的收集到氧气，且不影响教学进度。 参考文献： [1]文庆城.化学实验教学研究[M].科学出版社，2003：119-123 [2]周勇,余丽琼,文丰玉.CuO对H2O2的催化作用探讨[J].内江师范学院学报,2004,19(6):54-57 [3]姜成春,庞素艳,江进.Fe(?)催化过氧化氢分解影响因素分析[J].环境科学学报,2007,27(7):1197-1202 [4]戚万友.H2O2分解的催化剂代用品的研究[J].实验与制作,34 [5]陈承声,区永麟.利用手持技术探究过氧化氢的分解[J].广东教育学院学报,2007,27(3):60-63 [6]盛亮,杨淑蕙.铁离子对过氧化氢催化分解的影响[J].黑龙江造纸,2006,(2):11-12 [7]张丽霞,庞承新,谭延光.影响过氧化氢催化分解速率的因素[J].广西师范学院学报:自然科学版,2008,25(4):52-56 [8]张健扬,史淑凤,崔海香.金属离子对过氧化氢的催化分解作用研究 [J].黑龙江造纸,2005,27(5):11-13 [9]陈少康.过氧化氢催化分解制取氧气的实验探究[J].教学仪器与实验,2005,21(1):14-16 河池师专学报(自然科学版) , [10]吴洪达,黄映恒.过氧化氢的分解反应[J]. 2002,22(2):27~30 [11] 孙丹儿，殷莉莉. 过氧化氢制氧气实验不同催化剂的探究[J]. 实验与创新思维,2005,(11):5~6