過氧化氫催化分解最佳條件正交實驗研究

陳靈華 陸良杰

自實施新課程改革以來，九年級化學多種版本的教材都增設了用H2O2分解制氧氣的實驗。教學中進行該實驗時都是按課本以MnO2作催化劑，對催化劑沒有太多的考慮和選擇，更不會考慮酸堿性對H2O2分解的影響。實驗結果表明，帶火星的木條較難復燃，只看到火星閃亮一下，達不到預期效果。因此，本文試圖用正交實驗設計的方法找出過氧化氫催化分解的最佳的條件。

一、實驗指標的確定

1.以5分鐘內產生O2的速率為實驗指標。

2.采用直觀分析法來評價實驗結果的優劣。

二、因素、水平的選取

研究表明，H2O2的水溶液受熱見光會加速分解，微量元素金屬（Fe、Cu、Cr、Mn等）離子及這些金屬的氧化物、非金屬元素的碳粉及塵埃、生物酶等催化劑，以及溶液的酸堿性對H2O2分解速率均有影響。本實驗中，所選擇的主要影響因素為：H2O2的物質的量濃度、催化劑、酸堿性。每次實驗將H2O2溶液的用量固定為3mL，催化劑的質量固定為0.5g，酸堿的滴加量固定為3滴。酸選擇冰醋酸，堿選擇2.0mol/L的NaOH溶液。催化劑選擇三種類型：微量元素、生物酶、非金屬元素。

本實驗選定的因素水平如表1所示。

三、實驗步驟

1.用30%的H2O2溶液（9.8mol/L）分別配制6.5mol/L、3.0mol/L的H2O2溶液250mL，配制2.0mo1/L的NaOH溶液50mL。

2.分別稱量0.5gCuSO4·5H2O、碳粉、土豆絲各三份。

3.檢查氣密性，組裝實驗儀器。

4.量取9.8mol/L的H2O2溶液3mL加入具支試管中，然后滴加3滴2.0mol/L的NaOH溶液，再加入0.5gCuSO4·5H2O，在5分鐘時紀錄收集到的氣體的體積。

5.根據表2的實驗方案分別改用不同濃度的H2O2溶液，在不同酸堿性條件下，用不同催化劑，紀錄5分鐘時收集到的氣體的體積。

四、實驗方案的設計及其結果

本實驗設計為三因素三水平的活動水平實驗，選用L9（33）正交表來安排實驗，其方案及結果見表2。

五、實驗結果與討論

上述實驗結果表明：

1.H2O2溶液的濃度對H2O2分解速率影響不大。

2.微量元素和非金屬元素作催化劑時比用生物酶作催化劑對H2O2分解速率影響更大。

3.H2O2所處的酸堿性環境對H2O2的分解速率影響最大，在堿性條件下H2O2的分解速率最快，在酸性條件下H2O2的分解速率最慢。

4.綜合上述及表2的直觀數據分析，在所選定的因素、水平范圍內，各因素對實驗指標影響的主次關系為：

5.在本實驗所選取的因素、水平范圍內，最佳實驗條件組合應為A3B3C3，即在濃度為3.0mol/L的H2O2溶液中加堿條件下用碳粉作催化劑進行實驗，實驗取得的效果最佳。

[課題項目]廣西教育科學“十二五”規劃課題《化學實驗教學中培養學生創造性思維和創新能力的實踐研究》（課題編號：2011C0341）成果之一。