過氧化氫催化分解制取氧氣實驗的探究與改進

摘要：本文探究了人教版義務教育課程標準實驗教科書九年級上冊《化學》教材中“二氧化錳做催化劑分解過氧化氫溶液制取氧氣”的實驗中存在的問題，并進行了驗證和改進。

關鍵詞：過氧化氫；催化劑；實驗改進

中圖分類號：O6-3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）38-0246-02

按照人教版義務教育課程標準實驗教科書九年級上冊《化學》教材制取氧氣的實驗中，我們發現產生的氧氣中伴隨著大量的白色物質，影響實驗效果。在查閱了相關制備實驗后，發現沒有對于此物質的描述。那么這種白色物質究竟是什么？如何消除？是否可以采用其他催化劑來代替二氧化錳，使其產生的氧氣中沒有這種白色物質且催化效果相似或者更好。鑒于以上考慮，我們通過查閱資料，設計實驗，并進行了如下的實驗探究測定。

一、實驗設計一

1.實驗原理。在催化劑的作用下，過氧化氫分解生成水和氧氣：2H2O2=H2O+O2↑。

2.實驗材料。儀器：具支試管、分液漏斗、水槽、玻璃導管、鐵架臺及其配件，小試管、橡皮管、紙槽、量筒

試劑：15%過氧化氫溶液、二氧化錳粉末。

3.實驗裝置圖（如下）。

4.實驗步驟。①如圖所示，連接裝置。②檢驗裝置氣密性（雙手捂住具支試管或者采用酒精燈稍微加熱具支試管底部，看導氣管口是否有氣泡產生）。③用量筒量取適量的15%過氧化氫溶液，加入分液漏斗中。④用天平稱量適量的二氧化錳粉末。⑤將二氧化錳加入具支試管中并迅速蓋上試管塞，以一秒一滴的速度滴下過氧化氫溶液，觀察產生的氣體。⑥實驗后將導管烘干并觀察管壁。⑦實驗完畢，整理器材。

5.實驗現象。產生的氣體中沒有伴隨著白色物質，導管內壁無固體顆粒。產生的氧氣中伴隨的物質初步判定為水蒸氣。把裝置圖中裝有濃硫酸的洗氣瓶換成裝有無水硫酸銅固體的干燥管，按照實驗設計中的步驟再次進行實驗。結果發現：白色的無水硫酸銅變成藍色。

6.實驗結論。產生的氧氣中伴隨的白色物質為水蒸氣。

二、實驗設計二

1.實驗原理H2O2長期保存有微量分解，很多離子如Cu2+、Fe2+、Mn2+、Ni2+、Cr3+、OH-等都能加速H2O2的分解。因此，催化分解是H2O2的一種特性[1]。Weiss提出了復相催化機理：S+H2O2→S++OH-+·OH，H2O2+·OH→H2O+·HO2，S++O-2→S+O2，S+·HO2→S++HO-2，S++O-2→S+HO2，S、S+分別代表（不帶電荷或帶電荷的）金屬氧化物，催化劑表面的基本作用是電子轉移，根據以上反應機理，許多物質都能催化H2O2快速分解制取O2[1]。為此，我們對不同催化劑的催化效果進行了探究，并且對鐵離子的催化分解的機理進行了如下的初步解釋：①2Fe3++H2O2=2Fe2++2H++O2↑該反應為氧化還原反應，在該反應中Fe3+為氧化劑，還原產物為Fe2+， H2O2做還原劑，氧化產物為O2。該反應的電動勢[2]

Eθ=φθ（Fe3+/Fe2+）-φθ（H2O2/O2）=0.7710V-0.6824V=0.0886V>0。② 2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O。該反應也為氧化還原反應，在該反應中H2O2為氧化劑，還原產物為H2O，Fe2+做還原劑，氧化產物為Fe3+。該反應的電動勢[2]Eθ=φθ（H2O2/H2O）-φθ（Fe3+/Fe2+）=1.7760V-0.771V=1.005V>0。①、②兩個反應的電動勢均大于零，從理論上看，以上兩個反應可以發生，且在實驗5中觀察到的實驗現象：催化劑氯化鐵的顏色有變化，在反應過程中，具支試管中溶液顏色由棕黃色逐漸變為淺綠色，最終變為淺黃色。此現象正好符合催化劑的基本特征。

3.實驗材料。儀器：具支試管、分液漏斗、水槽、玻璃導管、鐵架臺及其配件，小試管、橡皮管、紙槽、量筒、秒表。試劑：15%過氧化氫溶液、飽和硫酸亞鐵溶液、0.4mol/L硫酸亞鐵溶液、0.4mol/L氯化鐵溶液、飽和氯化鐵溶液。

4.實驗步驟。①檢驗裝置氣密性（雙手捂住具支試管或者采用酒精燈稍微加熱具支試管底部，看導氣管口是否有氣泡產生）。②用量筒量取適量的15%過氧化氫溶液，加入分液漏斗中。③用天平稱量適量的氧化銅粉末。④將氧化銅加入試管中并迅速蓋上試管塞，以一秒一滴的速度滴下過氧化氫溶液，同時開始計時并觀察實驗現象。⑤待該實驗進行一段時間，量筒中收集氣體達到一定體積時，停止計時，記錄所用時間。⑥清洗試管并烘干，換其他催化劑，重復以上2、3、4、5步驟。⑦實驗完畢，整理器材，分析數據。

5.實驗現象。①在一系列實驗中，我們發現，實驗2、3、4、5在收集相同體積氣體所用的時間比實驗1中收集相同體積所用的時間短。②通過實驗2與實驗3對比發現，不同濃度的硫酸亞鐵溶液反應速率不同，濃度越大，收集相同體積氣體所用的時間越短。③通過實驗4與實驗5對比發現，不同濃度的氯化鐵溶液反應速率不同，濃度越大，收集相同體積氣體所用的時間越短。④相同濃度的氯化鐵溶液比硫酸亞鐵溶液的催化效果好。⑤通過觀察，我們還發現，所選用的幾種催化劑都沒有白霧產生。

6.實驗結論。無論用氯化鐵溶液、硫酸亞鐵溶液和氧化銅粉末作催化劑分解H2O2，產生的氧氣都不會伴隨著白霧。

三、總結論

1.由實驗設計一可得：二氧化錳催化H2O2溶液，反應產生的氧氣中伴隨著白霧（水蒸氣），我們在實驗裝置中間加一個盛有濃硫酸的洗氣瓶，這樣產生的氧氣中就沒有了白霧。

2.由于實驗設計一裝置復雜，且濃硫酸不安全，我們選用其他催化劑來代替二氧化錳。實驗設計二中飽和氯化鐵反應速率過快，氣體不易收集；氧化銅反應過慢，氣體收集時間過長。因此我們建議實驗操作中選用0.4mol/L氯化鐵溶液、飽和硫酸亞鐵溶液或者0.4mol/L硫酸亞鐵溶液作為催化劑效果最佳。

參考文獻：

[1]呂希倫.無機過氧化合物化學[M].北京：科學出版社，1987.

[2]武漢大學，吉林大學，等.無機化學（下冊）[M].北京：高等教育出版社，1994.