對過氧化氫分解催化劑的探究

一、提出問題

小明同學學習了實驗室制取氧氣后，對催化劑及其催化作用非常感興趣。通過學習小明知道，催化劑是能改變其他物質的化學反應速率，但本身的質量和化學性質在反應前后都沒有發生變化的物質。在二氧化錳的催化作用下，過氧化氫分解生成水和氧氣。通過課外閱讀小明又知道，氧化銅、氧化鐵、紅磚粉、硫酸銅溶液等對過氧化氫的分解也具有催化作用。紅磚粉是日常生活中常見的物質，小明想通過實驗探究紅磚粉對過氧化氫分解是否有催化作用，及氧化銅、氧化鐵、紅磚粉、二氧化錳對過氧化氫分解的催化效果是否相同。

二、設計實驗方案

通過分析催化劑的概念，小明認為要證明紅磚粉是過氧化氫分解的催化劑，需要證明紅磚粉能改變過氧化氫的分解速率，而它本身的質量和化學性質在化學反應前后并沒有發生改變。因此需要設計三組對比實驗，驗證紅磚粉能改變過氧化氫的分解速率、在化學反應前后質量和化學性質不發生改變。

三、實驗驗證

實驗1：探究紅磚粉能否改變過氧化氫的分解速率。

在兩支試管中分別加入5毫升5%的過氧化氫溶液，向其中一支試管中加入0.5 g 紅磚粉，觀察現象。加入紅磚粉的試管中有氣泡產生，沒有加紅磚粉的試管中氣泡產生得非常慢、氣泡很小。

得出結論：紅磚粉能加快過氧化氫的分解速率。

實驗2：探究紅磚粉在反應前后化學性質是否改變。

當實驗1中加入紅磚粉的試管中不再產生氣泡時，加入過氧化氫溶液，用帶火星的木條檢驗，發現有氣泡產生、木條復燃。當不再產生氣泡時，再加入過氧化氫溶液，還能觀察到有氣泡產生。這說明紅磚粉不是反應物，在反應過程中沒有消耗，而且在反應前后化學性質沒有發生改變。

得出結論：紅磚粉在化學反應前后化學性質沒有發生改變。

實驗3：探究紅磚粉在化學反應前后質量是否改變。

實驗2 結束后，過濾、洗滌、干燥、稱量紅磚粉的質量，紅磚粉質量仍為0.5 g。

圖1

圖2

得出結論：在化學反應前后紅磚粉的質量沒有發生改變，紅磚粉是過氧化氫分解的催化劑。

四、深入探究

實驗4：探究氧化銅、氧化鐵、紅磚粉、二氧化錳對過氧化氫分解的催化效果是否相同。

在點滴板上分別量取等量的氧化銅、氧化鐵、紅磚粉和二氧化錳粉末，然后分別滴加5%的過氧化氫溶液，觀察現象。

如圖1，向氧化銅粉末上滴加5%的過氧化氫溶液，產生黃豆大小的氣泡，反應速率明顯變快；向氧化鐵粉末上滴加5%的過氧化氫溶液，產生綠豆大小的氣泡，反應速率變快；向紅磚粉上滴加5%的過氧化氫溶液，產生微小的氣泡，反應較慢；向二氧化錳固體上滴加5%的過氧化氫溶液，立即產生大的氣泡并迅速破裂，反應迅速。

通過比較得出結論：這四種物質在催化過氧化氫分解時，紅磚粉效果最差、二氧化錳效果最好，因此實驗室用過氧化氫分解制氧氣時常用二氧化錳作為催化劑。

小明同學通過對過氧化氫分解催化劑的探究，加深了對催化劑概念的理解，知道了氧化銅、氧化鐵、紅磚粉、二氧化錳對過氧化氫分解都有催化作用，但效果不同，其中二氧化錳的催化效果最好。

五、總結提升

通過實驗探究，小明同學加深了對催化劑及其催化作用的理解。催化劑是相對于某一反應或某一類反應而言的，不能說某種物質是催化劑。比如，不能說二氧化錳是催化劑，可以說二氧化錳是過氧化氫或氯酸鉀分解的催化劑。在加熱高錳酸鉀生成錳酸鉀、二氧化錳和氧氣的反應中，二氧化錳是一種生成物。催化劑能改變物質的化學反應速率，但不能改變生成物的質量。同一化學反應可以有多種催化劑，但催化效果不同。

催化劑在生產生活中有著廣泛的應用。在石油煉制、汽車尾氣處理、釀酒釀醋等釀造業和制藥工業中要用到酶作為催化劑。人體在消化吸收食物時也要用到多種酶作為催化劑。比如在吃饅頭時，唾液淀粉酶能起催化作用，把饅頭中的淀粉轉化為麥芽糖。通過這次實驗探究，也使小明感受到化學與生產生活密切相關，激發了其學習化學的興趣。

最后，小明用思維導圖記錄了自己的探究過程（如圖2）。