DIS探究催化劑對過氧化氫分解反應速率的影響

沈燕萍

（江蘇省常州高級中學 江蘇 常州 213003）

一、探究意圖

蘇教版教材《實驗化學》專題4 的課題2 中設計了催化劑對過氧化氫分解反應速率的影響實驗，這是采用傳統中學化學實驗手段對此實驗進行的定量研究。通常判斷過氧化氫分解速率的大小，可以通過觀察比較過氧化氫溶液中析出氣泡的快慢程度，或測定單位時間內過氧化氫分解放出氧氣的體積。但催化劑對過氧化氫分解反應過程究竟是如何影響的？ 該分解反應是什么規律？ 反應速率曲線又是怎樣的數學關系？ 這些都是傳統中學化學實驗手段難以回答的。基于對這些問題的思考，我進行了本文的探究。

二、探究思路

為了準確、實時、快速和自動采集過氧化氫分解放出氧氣的氣壓變化曲線，本實驗選用了先進的DIS實驗系統來完成。DIS（Digital Information System）即數字化信息系統，是將現代實驗技術和以計算機為核心的信息技術融為一體的新型實驗系統，由“傳感器＋數據采集器＋實驗軟件包＋計算機”構成。DIS 實驗系統最根本的特點是將實驗過程或現象轉化為可檢測的物理信號，進而利用物理信號反映或研究實驗本質，這也是科學研究中非常重要的“轉化”思想。傳統的實驗手段存在著誤差大、數據采集慢（無法在很快的時間內采集很多組數據）、有的物理量無法直接測量、讀數不方便等問題，更為重要的是數據處理手工完成，效率低，誤差大。計算機和傳感器的介入可以更快更準確地獲得可連續的監測和采集實驗數據，對于化學反應中許多“瞬時”的過程，我們也能將實驗數據記錄下來仔細分析了，測出來的數據以表格、圖像、儀表等多種方式實時顯示、分析、處理，更客觀、真實地展現實驗過程，更容易、更深刻地揭示客觀世界隱藏的各種規律。因此利用DIS 實驗系統可以探究問題的廣度和深度都大大拓展，這對提高學生的探究能力很有益處。不僅能使學生加深理解和鞏固學科知識，更重要的意義在于可以培養學生形成科學的思維方式，掌握科學的研究方法。

選用MnO2作催化劑，通過DIS 實驗系統的壓強傳感器對過氧化氫分解放出氧氣的氣壓進行實時測量，利用氣壓變化快慢與氧氣放出速率大小成正相的關系，繪制在無催化劑和有催化劑兩種情況下的“pt”曲線，外顯出催化劑對過氧化氫分解反應的影響過程，揭示出該分解反應速率曲線的數學規律和反應的變化規律。

三、探究用品

壓強傳感器：用于測量氣體壓強，其讀數為絕對壓強值。使用時應保證被測氣體與壓強傳感器前端的軟管連接緊密。量程為0kPa～300kPa，分度0．1kPa。請注意勿將該傳感器直接用于測量液體壓強，不能超量程使用。

四、探究方案

1．組裝實驗裝置，用數據線連接計算機、數據采集器、壓強傳感器，如圖1 所示。

圖1 實驗裝置圖

2．打開DISLab V6．0實驗軟件系統，點擊 “通用軟件”，系統自動識別所接入的傳感器，并顯示當前壓強值。觀察壓強示數是否穩定，如果示數有所下降，則說明裝置漏氣。

3．先用6%H2O2溶液作空白實驗，監測體系中氧氣生成速率。用注射器抽取3mL6%H2O2溶液并插入單孔橡膠塞，在具支試管上塞緊橡膠塞。

4．打開實驗軟件系統的“組合圖線”功能，點擊“采集控制”中“停止”按鈕。點擊“圖線選擇”中“添加”按鈕，設定x 軸、y 軸分別為“時間”、“p”，點擊“確定”，即添加“p－t”曲線。

5．點擊“開始”，迅速注入3mL6%H2O2溶液并抵按住注射器活塞。觀察60s 內實驗過程中氣壓隨時間的變化曲線，后點擊“停止”。

6．點擊界面下方“選擇區域”圖標，分別選擇圖線上反應開始時的起點和終點。根據實驗所獲得的曲線形狀，對曲線的分布規律作出初步的判斷。點擊“圖線分析”的“擬合”按鈕，選擇相應的擬合工具加以驗證，即得到基于該工具的擬合曲線及其圖線方程。觀察擬合曲線與“p－t”曲線的吻合程度，可為推斷該“p－t”曲線符合何種數學規律提供有力的佐證。

7．加入0．2gMnO2于洗凈的具支試管中，用注射器抽取3mL6%H2O2溶液并插入單孔橡膠塞，在具支試管上塞緊橡膠塞。重復以上4－6 步操作，得到“p－t”曲線，找出此曲線的數學規律。

五、數據分析與討論

1．室溫下不加催化劑：如圖2 是做空白實驗時繪制的“p－t”曲線，點擊“開始”時壓強為101．1kPa，迅速注入3mL6%H2O2溶液后體系的壓強迅速升到110．2kPa，此后60s 內壓強變化不明顯，說明H2O2溶液在不加催化劑的情況下分解很慢。根據此“p－t”曲線的分布規律選擇“線形擬合”工具，得到如圖3 所示的擬合圖線，圖線方程為y＝0．0075x＋108．9855，擬合曲線與“p－t”曲線完全吻合，可推斷此“p－t”曲線符合線性關系。斜率為0．0075 而不是0，說明體系的壓強還是在緩慢增加的，從試管壁上附著一些小氣泡也驗證了這一點，這可能由于試管壁的粗糙表面或有雜質促使H2O2溶液在緩慢分解，也說明該DIS 實驗系統的壓強傳感器的靈敏度非常高。

圖2

圖3

2．室溫下加催化劑：如圖4 是加入0．2g MnO2（粉末） 時繪制的 “p－t” 曲線，點擊 “開始” 時壓強為101．1kPa，迅速注入3mL6%H2O2溶液后體系的壓強迅速升到110．1kPa，此后壓強開始快速增加，反應約40s后壓強增加緩慢，60s時壓強上升到209．1 kpa。這說明H2O2溶液在催化劑的存在下迅速分解，當反應進行到40s 后反應速率逐漸減緩。同時可觀察到試管內H2O2溶液產生大量氣泡，觸摸試管壁有熱量放出。根據此“p－t”曲線的分布規律選擇 “對數擬合”工具，得到如圖5 所示的擬合圖線，圖線方程為y＝25．8809lnx＋107．1113，擬合圖線與“p－t”曲線基本吻合，可推斷此“p－t”曲線基本符合對數函數規律，從而外顯出催化劑對過氧化氫分解反應的影響過程，揭示出該分解反應的變化規律。

圖4

圖5

六、實驗優點

1．創新性

采用先進的DIS 實驗技術來進行該探究實驗，這充分體現了新課程背景下的實驗面向現代化的特點，對于幫助學生了解現代實驗技術能夠起到積極的作用。創新性的體現不僅僅在于采用了先進的DIS 實驗系統，而是設計了全新的探究思路、探究裝置和探究方案，在信息技術與傳統實驗的整合方面有所創新。

2．過程性

利用DIS 實驗軟件包的相關數學工具進行數據分析，充分利用各種科學探究中的統計方法，讓我們能透過反應現象看清反應本質，能動態顯示出實驗過程的細節，使我們從原來關注實驗現象轉變成關注實驗過程與原理，使我們得出的結論更加科學，使我們對問題的解釋更加客觀、真實、有效。

3．探究性

既可以觀察到實驗現象，又可以清晰地看到過氧化氫迅速分解反應速率曲線的繪制過程，還可以用手觸感到過氧化氫迅速分解所產生的熱量。從而體驗科學研究的過程，強化科學探究意識，利于培養學生創新精神和實踐能力，充分體現新的化學課程理念。

4．靈活性

除MnO2外，還可用CuO、Fe2O3等作H2O2分解的催化劑。該實驗方案和實驗裝置基本不變，只需將MnO2換成其他的催化劑，即可探究不同催化劑對過氧化氫分解反應速率的影響，使得探究的問題范圍和深度都大大拓展。

5．實用性

該實驗裝置簡單、材料易得、操作簡便、效果明顯，易于推廣。傳統實驗中測定單位時間內過氧化氫分解放出氧氣的體積時，極短的時間內很容易造成體積誤讀，而DIS 實驗系統測量的數據顯示來得直接和準確，能很好地適應演示實驗的要求。

6．安全性

壓強傳感器的使用要求是在密閉系統中測定，但密閉系統中產生壓強過大容易引起爆炸等危險，所以實驗裝置設計中采用的注射器既是加入反應物的容器，又是整個體系的減壓裝置。一旦體系的壓強過大，超過壓強傳感器量程，即可松開注射器活塞，達到減壓目的，確保實驗安全。

七、注意事項

1．雙氧水有強腐蝕性，強氧化性，與皮膚接觸會有強烈的燒灼感，使局部皮膚和毛發發白，產生刺痛、瘙癢。在使用過程中應注意避免與眼睛、皮膚接觸，以防灼傷。

2．裝置使用前要檢查氣密性，以防實驗過程中漏氣，導致數據不準確。

3．實驗要采用同一個實驗裝置，以保證實驗的公平和可比性。

4．MnO2的用量以及顆粒直徑大小均會影響H2O2分解的速率。

5．選用6%的H2O2溶液是因為DIS 壓強傳感器很敏感，如果濃度大雖然反應劇烈，一方面數據波動也會較大，不利于精確測定；另一方面在密閉系統測定時，壓強過大容易引起爆炸等危險。

6．清洗具支試管或向其中加入藥品時，應注意不要將水或藥品流入具支試管的支口，以免沾污壓強傳感器軟管。

［1］ 上海市中小學數字化實驗系統研發中心，山東省遠大網絡多媒體有限責任公司．朗威數字化信息系統實驗室V6．0：化學、生命科學用戶手冊．2007