過氧化氫催化分解最佳條件正交實(shí)驗(yàn)研究

陳靈華 陸良杰

自實(shí)施新課程改革以來，九年級(jí)化學(xué)多種版本的教材都增設(shè)了用H2O2分解制氧氣的實(shí)驗(yàn)。教學(xué)中進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)都是按課本以MnO2作催化劑，對催化劑沒有太多的考慮和選擇，更不會(huì)考慮酸堿性對H2O2分解的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶火星的木條較難復(fù)燃，只看到火星閃亮一下，達(dá)不到預(yù)期效果。因此，本文試圖用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法找出過氧化氫催化分解的最佳的條件。

一、實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的確定

1.以5分鐘內(nèi)產(chǎn)生O2的速率為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。

2.采用直觀分析法來評價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣。

二、因素、水平的選取

研究表明，H2O2的水溶液受熱見光會(huì)加速分解，微量元素金屬（Fe、Cu、Cr、Mn等）離子及這些金屬的氧化物、非金屬元素的碳粉及塵埃、生物酶等催化劑，以及溶液的酸堿性對H2O2分解速率均有影響。本實(shí)驗(yàn)中，所選擇的主要影響因素為：H2O2的物質(zhì)的量濃度、催化劑、酸堿性。每次實(shí)驗(yàn)將H2O2溶液的用量固定為3mL，催化劑的質(zhì)量固定為0.5g，酸堿的滴加量固定為3滴。酸選擇冰醋酸，堿選擇2.0mol/L的NaOH溶液。催化劑選擇三種類型：微量元素、生物酶、非金屬元素。

本實(shí)驗(yàn)選定的因素水平如表1所示。

三、實(shí)驗(yàn)步驟

1.用30%的H2O2溶液（9.8mol/L）分別配制6.5mol/L、3.0mol/L的H2O2溶液250mL，配制2.0mo1/L的NaOH溶液50mL。

2.分別稱量0.5gCuSO4·5H2O、碳粉、土豆絲各三份。

3.檢查氣密性，組裝實(shí)驗(yàn)儀器。

4.量取9.8mol/L的H2O2溶液3mL加入具支試管中，然后滴加3滴2.0mol/L的NaOH溶液，再加入0.5gCuSO4·5H2O，在5分鐘時(shí)紀(jì)錄收集到的氣體的體積。

5.根據(jù)表2的實(shí)驗(yàn)方案分別改用不同濃度的H2O2溶液，在不同酸堿性條件下，用不同催化劑，紀(jì)錄5分鐘時(shí)收集到的氣體的體積。

四、實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)及其結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為三因素三水平的活動(dòng)水平實(shí)驗(yàn)，選用L9（33）正交表來安排實(shí)驗(yàn)，其方案及結(jié)果見表2。

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1.H2O2溶液的濃度對H2O2分解速率影響不大。

2.微量元素和非金屬元素作催化劑時(shí)比用生物酶作催化劑對H2O2分解速率影響更大。

3.H2O2所處的酸堿性環(huán)境對H2O2的分解速率影響最大，在堿性條件下H2O2的分解速率最快，在酸性條件下H2O2的分解速率最慢。

4.綜合上述及表2的直觀數(shù)據(jù)分析，在所選定的因素、水平范圍內(nèi)，各因素對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)影響的主次關(guān)系為：

5.在本實(shí)驗(yàn)所選取的因素、水平范圍內(nèi)，最佳實(shí)驗(yàn)條件組合應(yīng)為A3B3C3，即在濃度為3.0mol/L的H2O2溶液中加堿條件下用碳粉作催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)取得的效果最佳。

[課題項(xiàng)目]廣西教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題《化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維和創(chuàng)新能力的實(shí)踐研究》（課題編號(hào)：2011C0341）成果之一。