不同的催化劑對氯酸鉀分解反應的影響

【摘要】催化劑的應用歷史很長，特別在石油化工、精細化工、有機化工和生物化工中，可以說，催化技術已成為化學工業中最關鍵的核心技術之一。在中學化學實驗中，催化劑也是最常用的。本文以實驗為基礎，理論為依托，以不同的催化劑對氯酸鉀分解反應的影響，具體討論了催化劑在中學化學實驗當中的具體應用；深入的闡述了催化劑在化學反應中的重要作用；理論說明了催化劑在化學反應變化中的實質，在深入探討和研究催化劑方面有積極的指導意義。

【關鍵詞】中學 化學 實驗 催化劑 作用

【中圖分類號】G633.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）12-0167-02

一、問題的提出

在初中化學中，我們學過氯酸鉀分解制取氧氣的反應需要用二氧化錳作催化劑。高中化學的第一個分組實驗《化學實驗基本操作（一）》，又讓我們用自制的氧化銅作氯酸鉀分解反應的催化劑。除二氧化錳和氧化銅以外，是否還有其他物質可以用作該反應的催化劑呢？為此我們圍繞氯酸鉀分解反應催化劑的問題進行了一些初步的研究。

二、研究中幾個要素的確定

1.關于備選催化劑：資料表明能作氯酸鉀分解反應催化劑的大多是氧化物，我校化學實驗室里備有的氧化物有Al2O3、Cr2O3、CuO、Cu2O、Fe2O3、Fe3O4、MnO2、SiO2、ZnO等，我們決定就試驗這些氧化物對氯酸鉀分解反應的影響。

2.關于實驗裝置（圖略）：為了便于測量反應產生氣體的體積，我們將初中制氧裝置中的集氣瓶換成500 ml的量筒，并用秒表記錄反應產生一定量氣體時所需的時間。因氯酸鉀的熔點為365℃，實驗中我們發現當催化劑少于一定量時反應混合物會因氯酸鉀的熔化而流動，因此，我們又抬高裝置中的試管口，使其略高于試管底部（如圖1）。

3.關于氯酸鉀的用量：我們進行實驗時，實驗室的氣壓約為760.8 mmHg，室溫為9.7 ℃，氣體摩爾體積約為23.2 L/mol，為了便于實驗中產生的氧氣能收集在500 ml的量筒內，我們選擇氯酸鉀的質量為1.5 g。

4.關于催化劑的用量：受實驗室條件的限制，我們將催化劑的最低限量確定為0.1 g。

5.關于記錄的起點：為了便于控制和比較，從預熱反應混合物起就開始收集氣體，并記錄反應時間。

三、實驗及數據

1.分別取與各充分混合，然后放在裝置中加熱，把反應到產生氣體的速率明顯變緩時需要的時間、收集到氣體的體積及反應時的現象記入表

2.分別取1.5 g KClO3與各3.0 g、1.5 g、1.0 g、0.5 g、0.3 g、0.1 g的CuO充分混合后共熱，把氣體收集到350 ml時所需要的時間記入表2，并記錄反應混合物在熔化時的流動性。

3.分別用代替CuO重復實驗2的操作，有關現象也記入表。

四、結論和討論

1.具有還原性的金屬氧化物不宜作氯酸鉀分解反應的催化劑。由表 1中反應混合物的顏色在反應前后的變化可知，等在加熱時均能被或分解產生的所氧化。從顏色的變化上看，氧化成了CuO，氧化成了。關于被的氧化，有資料表明發生的反應為。由于這些具有還原性的氧化物在反應中被氧化，從而影響了氧氣的產率，甚至產生了其他氣體，因此它們不宜做氯酸鉀分解反應的催化劑。另外，SiO2對氯酸鉀分解的催化效率也比較差。除此之外的Al2O3、CuO、Fe2O3、MnO2和ZnO等都可作為氯酸鉀分解反應的催化劑，其中加快反應速率的程度優于。

2.催化劑對反應的催化效率存在適宜的質量比。隨催化劑用量的減少，也就是隨m（KClO3）：m（催化劑）由小到大的變化，收集350ml氣體所需要的時間都發生由多到少再到多的變化。因此，同種催化劑對同一反應速率的改變與催化劑的用量也有關系，而不同的催化劑對同一反應速率的改變有著各自的適宜質量比。從我們所進行的實驗看，氯酸鉀與幾種催化劑之間的適宜質量比分別是。其中，在催化相同質量的氯酸鉀分解反應的過程中，Fe2O3的催化效率要高于CuO和MnO2，這可能是由于Fe2O3粉末相對疏松而且密度較小的緣故。

3.催化劑的用量要考慮阻止熔融狀氯酸鉀流動的問題。氯酸鉀的熔點為365℃，在酒精燈加熱時能熔成液態，為了防止催化劑用量較少時，氯酸鉀與催化劑形成的熔合物因流動離開被加熱的試管底部而影響實驗的進行，本研究中采用了試管口略高于試管底的方式，但這樣的裝置不符合實驗常規，也不便于防止可能有的水蒸氣冷凝后的回流。因此實驗室進行氧氣制取實驗時，催化劑用量的多少要考慮阻止熔融狀氯酸鉀流動的問題。由表2記錄的現象可知，以CuO或MnO2作催化劑時，氯酸鉀與催化劑的質量比應小于1：0.33；以Fe2O3作催化劑時，氯酸鉀與Fe2O3的質量比應小于1：0.2。

4.關于氣體產物中氯氣和白霧的防止。有資料表明，MnO2催化氯酸鉀分解反應制得的氧氣中含有少量氯氣，是由于氯氣是反應的中間產物；同時，用排水集氣法收集到的氧氣中含有白霧也主要是其中混有氯氣的緣故。但是，用其他氧化物作催化劑時，有的也有較濃的氯氣味，而有的氯氣味則較淡，其中的原因我們暫時還不能解釋。有人曾建議采用在MnO2和氯酸鉀的混合物中添加消石灰的方法，來消除氧氣中混有的氯氣。從我們實驗的情況來看，Al2O3、Fe2O3、ZnO等作氯酸鉀分解反應的催化劑時，制得的氧氣中氯氣的含量相對較低，白霧也很少。綜上，在我們所試驗的氧化物中，Fe2O3是氯酸鉀分解制取氧氣反應的較為理想的催化劑，其適宜用量為氯酸鉀的30 %左右。