高中化学.催化剂对过氧化氢分解反应速率素材3选修创新

DIS探究催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响

日期：年月日

实验者：

成绩等第: 【探究背景】

催化剂是化学研究中的永恒课题。催化剂就像“点石成金”的魔术棒，能够增大化学反应速率。在化工生产中，接触法制硫酸、合成法制氨、氢化法制硬化油等，都使用了催化剂。在《化学反应原理》中我们学习了催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响，这是采用传统中学化学实验手段对此实验进行的定性研究。通常判断H2O2分解速率的大小，可以通过观察比较H2O2溶液中析出气泡的快慢程度，或测定单位时间内H2O2分解放出O2的体积。但催化剂对过氧化氢分解反应过程究竟是如何影响的？该分解反应是什么规律？反应速率曲线又是怎样的数学关系？这些都是传统中学化学实验手段难以回答的。基于对这些问题的思考，我们可以利用先进的DIS实验系统深入探究催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响，认识催化剂对化学反应的重要作用。

【探究目的】

1.探究不同催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响。

2.熟悉DIS实验系统的使用，会使用压强传感器对反应容器中的气压进行实时测量，并绘制“P－t”图线进行分析。

【探究原理】

1.过氧化氢分解的影响因素

过氧化氢（H2O2），俗称双氧水，它是一弱酸性的无色透明液体，相对密度1.4067（25 ℃），熔点－0.41 ℃。沸点150.2 ℃，溶于水、醇、醚，不溶于石油。溶液的酸碱性对H2O2的稳定性有较大的影响，如在碱性溶液中，H2O2分解较快；在酸性条件下比较稳定，一般商品的过氧化氢溶液里都加有酸作为稳定剂。另外，H2O2见光、遇热、遇到大多数金属氧化物、粗糙表面、重金属及其它杂质分解也会加速。通常选用MnO2作催化剂，MnO2的用量以及颗粒直径大小均会影响H2O2分解的速率。除MnO2外，还可用CuO、Fe2O3等作H2O2分解的催化剂。在催化剂存在下，H2O2迅速分解：

2H2O22H2O ＋ O2↑

不含杂质的双氧水的分解速度一般较慢, 每年损失率在1%之下。但是由于微量的可溶性杂质（甚至小于1ppm）就能使分解速度大大加快, 加速分解速度的杂质有：三价铁离子、二价铁离子、二价铜离子、一价铜离子、钒酸盐、铬酸盐、重铬酸盐、钨酸盐、溴化物等。

除了某些金属如铜、铁、锰离子或金属屑有催化作用外，其它极细小的、有棱角的固体物质，以至容器器壁，纤维和胶体等固体表面，都具有加速双氧水分解的作用。

在温度稍高时．高浓度的过氧化氢能使有机物质燃烧．与二氧化锰相互作用能引起爆炸，不利于运输。过氧化氢具有较强的氧化能力，为强氧化剂，腐蚀性很强，贮存双氧水容器的材质只能用纯铝（>99.6％）、不锈钢、玻璃、陶瓷和聚乙烯塑料等。过氧化氢既是氧化剂，也可以是还原剂。过氧化氢广泛应用于化学品合成、纸浆、纸和纺织品的漂白（是一种优良的氧化漂白剂）、金属矿物质处理、环保、电子及军工等领域。

2．DIS实验系统的应用

采用先进的DIS实验系统，通过压强传感器实时测量过氧化氢分解反应放出氧气的气压，利用气压变化快慢与氧气放出速率大小成正相的关系，绘制在不同催化剂情况下的“P －t”曲线，外显出催化剂对过氧化氢分解反应的影响过程，揭示出该分解反应的变化规律。

拟合是借助数学方法对反应规律的探索。拟合前要观察实验所获得的图线形状或数据点的排列情况，对图线或数据点的分布规律作出初步的判断（猜测），然后用拟合的手段加以验证。点击“图线分析”的“拟合”按钮，将弹出拟合菜单。点击菜单中的某一选项，即可获得一条基于该选项的拟合图线及其图线方程。观察拟合图线与实际图线的吻合程度，可为推断该实验图线符合何种数学规律提供有力的佐证。

【探究用品】

朗威?DISLab6.0数据采集器、计算机、压强传感器、具支试管、橡胶管、单孔橡皮塞、20mL注射器、铁架台（带铁夹）、纸槽、天平、称量纸、药匙、10mL量筒、滴管、6%H2O2溶液、MnO2、CuO、1mol/LFeCl3溶液、6mol/LHCl、6mol/LNaOH

压强传感器:用于测量气体压强，其读数为绝对压强值。使用时应保证被测气体与压强传感器前端的软管连接紧密。量程为0KPa～300KPa，分度0.1KPa。请注意勿将该传感器直接用于测量液体压强，不能超量程使用。

【探究方案】

1.组装实验装置，用数据线连接计算机、数据

采集器、压强传感器,如图1所示。

2.打开DISLab V6.0实验软件系统，点击“通

用软件”，系统自动识别所接入的传感器，并显示当

前压强值。观察压强示数是否稳定，如果示数有所

下降，则说明装置漏气。

图1 实验装置图

3.先用6％H2O2溶液作空白实验，监测体系氧

气生成速率。用注射器抽取3mL6%H2O2溶液并插入单孔橡皮塞，塞紧橡皮塞。

4.点击工具栏中“组合图线”图标，打开组合图线窗口。点击“采集控制”中“停止”按钮，设定采样频率为10。点击“图线选择”中“添加”按钮，设定x轴、y轴分别为“时间”、“P”，点击“确定”，即添加“P-t”图线。

5.一位同学迅速注入3mL6%H2O2溶液，并抵按住注射器活塞，观察实验现象；另一同学随即点击“开始”记录，观察60s内实验过程中气压的变化情况，后点击“停止”, 即得到“P-t”图线。

6.进行图线分析。使用拟合，首先要在实验图线中选择有效区域。例如点击坐标系下方“选择区域”按钮，可借助与光标随动的竖线分别点击图线上反应开始时的起点和终点。然后，点击“图线分析”的“拟合”按钮弹出菜单，根据图线的形状选择拟合函数，即得到基于该选项的拟合图线及其图线方程（图线选择区域内自动生成）。若要保留所绘制的图线，可点击“锁定”将此图线锁定，以便在同一界面中与新绘制的图线作比较。

7.用纸槽加入0.2gMnO2于洗净的具支试管底部，用注射器抽取3mL6%H2O2溶液并插入单孔橡皮塞，塞紧橡皮塞。重复以上4－6步操作，得到“P-t”图线，进行图线分析。

8.再分别用0.2gCuO和2mL的1mol/LFeCl3溶液、6mol/LHCl溶液、6mol/LNaOH溶液作H2O2分解的催化剂进行实验，并记录实验结果。

【注意事项】

1．双氧水有强腐蚀性，强氧化性，与皮肤接触会有强烈的烧灼感，使局部皮肤和毛发发白，产生刺痛、瘙痒。在使用过程中应注意避免与眼睛、皮肤接触，以防灼伤。

2．压强传感器要求在密闭系统中测定使用，但密闭系统中产生压强过大容易引起爆炸等危险，所以实验装置设计中采用的注射器既是加入反应物的容器，又是整个体系的减压装置。一旦体系的压强过大，超过压强传感器量程，即可松开注射器活塞，达到减压目的，确保实验安全。

3．装置使用前要检查气密性，以防实验过程中漏气，导致数据不准确。

4．本实验选取均是0.2g固体催化剂和2mL液体催化剂，所加入的催化剂用量都是一样的，有利于平行比较催化效率。

5．选用6％的H2O2溶液是因为DIS压强传感器很敏感，如果浓度大虽然反应剧烈，一方面数据波动也会较大，不利于精确测定；另一方面在密闭系统测定时，压强过大容易引起爆炸等。

6.每次清洗具支试管和向其中加入药品时，应注意不要将水或药品流入具支试管的支口，以免沾污压强传感器。

7．实验中因为是测量氧气生成速率，不是氧气生成总含量，因此在注射H2O2溶液与

催化剂充分接触反应后开始测量，保证实验所得的数据有效。