二氧化錳的用量對雙氧水分解反應的影響初探

嚴西平+陳學東+錢蕙

摘要：運用壓強傳感器技術測定了二氧化錳的用量與雙氧水催化反應速率的關系。結果表明，能快速催化的二氧化錳與過氧化氫的質量比約為1：3，現(xiàn)行教材用雙氧水分解制取氧氣的實驗中二氧化錳的用量過量太多。實驗的結果有助于加深對催化劑和催化作用的理解，同時可以增強節(jié)約藥品的意識。

關鍵詞：二氧化錳；雙氧水分解；壓強傳感器

文章編號：1005–6629（2015）1–0060–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

在現(xiàn)行的初中教材中，二氧化錳催化分解雙氧水是一個非常重要的實驗。我們教學中發(fā)現(xiàn)，無論是教師的演示還是學生的分組實驗，二氧化錳的用量都是不講究的，似乎越多越好。比如當筆者向有些學生提問，做試管實驗時為什么要加一藥匙的二氧化錳？得到的回答竟是“多加一點，反應得快，帶火星的木條復燃就明顯”。很顯然，這些學生沒有真正理解二氧化錳的催化作用，心理暗示把它當做反應物之一了。這是學生的錯嗎？翻閱滬教版教材上冊P36[1]有“把稀的雙氧水從分液漏斗中慢慢加入裝有少量二氧化錳粉末的錐形瓶中”的描述，但是這個少量究竟是多少克？沒有交代。再仔細閱讀裝置圖2-9（見圖1），發(fā)現(xiàn)所加的二氧化錳并不少，到底加多少藥匙才能達到圖示量的效果呢？我們做了空白試驗，發(fā)現(xiàn)至少要加4藥匙的二氧化錳才能蓋滿250mL錐形瓶的底部。用電子天平稱量1藥匙的二氧化錳約1.8g，則4藥匙的二氧化錳約7.2g！筆者還查閱了大學的無機化學教材[2]，也沒有找到關于催化劑用量的內容，看來對這個反應中二氧化錳用量的研究還是空白。筆者也問詢過其他老師究竟加多少合適？回答都說心里沒底，只是憑感覺，一般在錐形瓶中加1藥匙的量。

考慮到氣體的壓強是可以用壓強傳感器及時測得的，而且壓強的變化也能間接地反映出反應的速率和生成氣體量的變化。這類探究傳統(tǒng)實驗無法完成，但是數(shù)字化實驗系統(tǒng)可以做到。于是筆者設計了如圖2所示的裝置，測量氣體壓強的變化，通過壓強的變化實時觀察反應的速率（不是傳統(tǒng)意義上的平均速率），以便更全面地了解催化作用，更深入地理解催化劑的概念，更準確地掌握二氧化錳的用量。

2 儀器與藥品

2.1 儀器

抽濾瓶、鐵架臺（附鐵夾）、乳膠管、細鐵絲（用于捆扎乳膠管）、10mL量筒、滴管等；電子天平（常熟市金羊砝碼儀器有限公司）、江蘇正方體數(shù)字采集器、壓強傳感器、電腦等

2.2 藥品

二氧化錳（AR，上海山浦化工有限公司）、雙氧水（AR，無錫市展望化工試劑有限公司）（使用時稀釋至3%）

3 實驗過程

（1）固定雙氧水的用量探究能使其快速催化的二氧化錳的最小用量。每次固定取用雙氧水（3%）8mL，在圖2的裝置中分別和不同質量的二氧化錳混合，當藥品就緒后，塞緊橡皮塞，啟動傳感器，同時平放抽濾瓶并不斷振蕩，記錄容器內壓強的變化于圖3中。

（2）固定二氧化錳的用量探究能快速催化的雙氧水的量。每次固定取用0.1g二氧化錳，在圖2的裝置中分別和不同體積的3%的雙氧水混合，當藥品就緒后，塞緊橡皮塞，啟動傳感器，同時平放抽濾瓶并不斷振蕩，記錄容器內壓強的變化于圖4中。

4 結果與討論

4.1 反應速率與二氧化錳的用量

從圖3中可以看出，當二氧化錳的用量增加到0.08g后，曲線的斜率（即表征催化反應的速率）基本上就一致了。因此可以認為在這樣的實驗條件下，能快速催化的二氧化錳的最小用量與過氧化氫的質量比約為0.08g：（3%×8g）=1：3。（因為溶液較稀，雙氧水的密度可以看做1 g/mL）

4.2 二氧化錳能催化的雙氧水的量

從圖4中可以看出，當雙氧水的體積由2mL增加到10mL時，各曲線的斜率基本上一致，這說明0.1g二氧化錳至少能快速催化0.3g的過氧化氫。（需要說明的是超過10mL的雙氧水在此條件下沒有繼續(xù)實驗下去，因為小試管的容量就是10mL）

4.3 氧氣的產(chǎn)量與二氧化錳量的關系

有趣的是，圖3、圖4還不約而同地驗證了一個結論：二氧化錳的量與氧氣的產(chǎn)量無關。由于在等溫條件下（溶液稀，用量少，反應熱可以忽略不計），氣體體積與壓強呈正比，在實驗測量誤差的范圍內討論，可以認定圖3中，氧氣的產(chǎn)量基本上是一致的（轉折后平緩線基本上集中在一起）；而在圖4中，可以清楚地看出，氧氣的產(chǎn)量基本上與雙氧水的用量呈正比。

4.4 實驗結果的定性解釋

根據(jù)相關文獻[3]，二氧化錳的催化效率主要由其表面積決定的。以某種晶型的二氧化錳為例，比表面積是48m2/g，0.08g的二氧化錳的表面積就有3.84m2，可以同時吸附的過氧化氫分子的數(shù)目相當多，也就是同時可催化很多過氧化氫分子分解，基本上表現(xiàn)出一致的反應速率。只有當二氧化錳用量很小時，才不能同時吸附很多的過氧化氫分子，造成反應速率變慢。

4.5 實驗操作誤差的討論

本實驗所用的玻璃儀器的精密度有限，二氧化錳的稱量和倒入、雙氧水的量取和傾倒、塞橡皮塞松與緊的程度、振蕩的時間和力度等對壓強的變化有一些影響，加上初始壓強的校準不能完全一致，實驗的精確度有待提高。

5 實驗收獲

一是無心插柳柳成蔭。原本實驗設計的初始目的并不是得出“氧氣的產(chǎn)量與二氧化錳的量無關”這個結論，可沒曾想，圖3、4中兩條曲線的走勢都印證了這份驚喜。這是從催化劑的概念中得出的一個很重要的推論，以前教師都講過，學生也都做過相應的練習，但是從來沒有看到真實的實驗圖像，心中始終存有些許的遺憾。

二是柳暗花明又一村。從教多年，我們也早就關注過這個教學盲區(qū)，雖然“產(chǎn)生氧氣的量與催化劑二氧化錳的量無關”這個結論很美麗，但是由于沒有實驗的支撐，講授時總是底氣不足。數(shù)字實驗為化學教學打開了一片新天地，重視信息技術的運用是所有化學教師應該擔當?shù)穆氊?。如今能通過實驗得出確切的結論，這比學生僅從我們講授中獲得知識都開心！因為我們踐行了新課改“引領者”的承諾！

三是墻內開花墻外香。我們開發(fā)了這個實驗，而且運用于教學中并不難，實驗的數(shù)據(jù)都保存在電腦中，再用時可以回放，學生從中能看到老師的用心，能感悟到過去使用二氧化錳的確存在很大的浪費（注：本文開始按照教材插圖的示意，假設某演示實驗用了7.2g二氧化錳，按照本文實驗推論，至少可以快速催化分解21.6g過氧化氫，即6%的雙氧水360mL！顯然這樣的使用量極不合理了），對環(huán)境也是一種污染，也會自覺養(yǎng)成節(jié)約藥品的好習慣。

參考文獻：

[1]中學化學國家課程標準研制組.義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M].上海：上海教育出版社，2012：36.

[2]北京師范大學等無機化學教研室編.無機化學（上冊）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]夏熙.二氧化錳的物理、化學性質與其電化學活性的相關（3）[J].電池，2006，36（2）：118～120.