淺析化學實驗中不同晶型二氧化錳的催化效果及實驗改進

王春梅

摘 要：二氧化錳作為一種常見的催化劑，具有催化性能良好、成本低、環境污染小等特點，從而得到了廣泛的應用。二氧化錳有著較為復雜的晶型結構，如α、β、γ、λ和δ等五種主晶及30余種次晶，不同晶型的MnO2的催化功能、使用壽命等各不相同。筆者所在學校實驗室現有的二氧化錳在制取氧氣的實驗中起不到催化效果，同時筆者經過試驗實驗室現有的二氧化錳與濃鹽酸不反應，為此筆者對本實驗室的二氧化錳進行了研究，同時對教材中涉及到二氧化錳部分的實驗進行了改進。

關鍵詞：二氧化錳;催化效果;實驗改進

二氧化錳作為一種常見的催化劑，具有催化性能良好、成本低、環境污染小等特點，從而得到了廣泛的應用。初高中化學教材中也有二氧化錳作為催化劑的相關應用，如初中化學教材中提到利用二氧化錳作催化劑加熱分解氯酸鉀制氧氣，人教版高中新教材必修二和選修四也有二氧化錳催化過氧化氫分解制取氧氣的學生實驗和演示實驗?；瘜W是一門以實驗為基礎的學科，課堂上以相應的實驗來印證二氧化錳的催化效果一定能增加學生的學習興趣，但遺憾的是筆者所在學校實驗室提供的二氧化錳在實驗過程中觀察不到相應現象。經多次試驗表明，學校實驗室現有的二氧化錳在制取氧氣的實驗中確實沒有催化效果，同時筆者經過試驗實驗室現有的二氧化錳與濃鹽酸在加熱條件下制氯氣，結果也不能反應，而理論知識告訴我們濃鹽酸和二氧化錳在加熱條件下是可以制氯氣的。為了避免在課堂上使教師處于尷尬境地及影響了學生學習的積極性，筆者查閱資料并設計了實驗方案從而完解決了這一難題。

人教版高中新教材必修二48頁實驗探究2—6提到：取3只試管各加入2～3mL5%的H2O2溶液，然后給其中兩只試管中分別加MnO2粉末和FeCl3溶液作催化劑，觀察實驗現象，探究反應速率。實驗探究結束后教材中描述：從實驗2—6我們觀察到，MnO2、FeCl3可以加快H2O2的分解速率，起到了催化劑的作用。

下面是關于人教版高中新教材必修二48頁【實驗2—6】探究過程。

1.學生按照教材步驟進行相應實驗探究，結果看到的現象是：加了FeCl3溶液的試管中反應速率與不加其它試劑的試管作比較反應速率加快，而加了二氧化錳的試管中反應速率并沒有加快。

2.學生探究所得結論：FeCl3溶液具有催化作用而二氧化錳（MnO2）并不具有催化作用。學生得出以上結論后筆者進行了同樣的實驗，結果與學生探究結果一致，接下來筆者進行了MnO2催化氯酸鉀粉末制氧氣的實驗，同時做空白實驗進行對比，結果MnO2也沒有起到催化效果，由此筆者思考是否本實驗室所提供的MnO2與濃鹽酸在加熱條件下也不能制取氯氣，實驗結果印證了筆者的設想，本實驗室提供的二氧化錳也不能用于制取氯氣。

【解析】如下（筆者查閱資料）：

二氧化錳是一種呈黑色或棕色的固體，經常出現于軟錳礦及錳結核中。二氧化錳主要用途為制造干電池，如碳鋅電池和堿性電池，也常在化學反應中作為催化劑。二氧化錳（MnO2）是一類重要的金屬氧化物材料，作為新型的環保催化劑，MnO2在過氧化氫分解、亞甲基藍降解和苯酚的濕法氧化等反應中得到了很好的應用。在實驗室中也常利用它的氧化性，和濃HCl作用以制取氯氣：MnO2十4HCl=MnCl2十Cl2十2H2O。

二氧化錳是一種常溫下非常穩定的黑色粉末狀固體，其結構是八面體，氧原子在八面體角頂上，錳原子在八面體中，MnO2八面體共棱連接形成單鏈或雙鏈，這些鏈和其它鏈共頂，形成空隙的隧道結構，八面體或成六方密堆積，或成立方密堆積。二氧化錳有著較為復雜的晶型結構，如α、β、γ、λ和δ等五種主晶及30余種次晶，不同晶型的MnO2的催化功能、使用壽命等各不相同，在各種晶型MnO2中λ-MnO2催化活性最差，所以MnO2材料的微觀形貌對于其應用有著重要的意義。

筆者推斷實驗室所提供的二氧化錳有可能是活性較差的晶型，性質穩定而不能起到很好的催化效果。為此，筆者在寧夏大學能源化工重點實驗室做了XRD衍射分析，并與XRD標準圖譜進行了對比，實驗室所提供二氧化錳為λ-MnO2和Mn3O4的混合物。

為了實驗能夠順利進行，筆者將實驗進行了改進，既解決了實驗室二氧化錳試劑的問題又對實驗室的廢棄殘渣進行了回收利用。具體操作方案如下：

【實驗改進方案1】將高錳酸鉀加熱制氧氣的殘渣（MnO2）收集后作催化劑進行試驗，發現其在H2O2和KClO3分解制氧氣的實驗中催化效果很好，所以筆者將實驗室利用高錳酸鉀加熱制氧氣后的殘渣（MnO2）收集并用于催化分解H2O2溶液制氧氣等。

【實驗改進方案2】取實驗室久置已變質的高錳酸鉀溶液（呈水層和黑色沉淀），過濾，烘干，取2支試管分別加入2～3mL5%的H2O2溶液，再向其中1支試管加入少量烘干后的粉末，觀察到的現象是：加了烘干的粉末的試管中反應速率明顯加快。

【解析】如下：

筆者在實驗室中偶然發現實驗室久置的高錳酸鉀溶液中出現了黑色沉淀，分析此黑色固體可能為MnO2，同時想到學校實驗室提供的MnO2起不到催化效果，于是進行了上述實驗，結果發現所回收的MnO2具有良好的催化效果。這樣一來，既回收利用了廢棄物又解決實驗室燃眉之急。接下來將回收所得到的MnO2在氯酸鉀分解制氧氣的實驗中得到了同樣的效果。為了進一步研究回收利用的二氧化錳的催化效果，筆者同樣在寧夏大學能源化工重點實驗室做了XRD衍射圖譜，從圖中可以看到，其衍射峰明顯變寬，表明回收得到的二氧化錳屬無定形，與文獻所述二氧化錳有著較為復雜的晶型結構相一致。

以上兩個實驗改進的方案既解決了實驗室試劑的問題又對廢棄物進行了回收利用，可謂兩全其美。有人曾經把垃圾比成放錯地方的資源，垃圾是可以進行分揀再利用的。隨著人類環保意識的增強，“廢”會變為“寶”的，這完全取決于我們的每一個細小的行為。

參考文獻

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