影響化學(xué)反應(yīng)速率條件的探究

摘 要：過氧化氫，化學(xué)式為H2O2，其水溶液俗稱雙氧水，外觀為無色透明液體，是一種強(qiáng)氧化劑，適用于傷口消毒及環(huán)境、食品消毒。同時(shí)，過氧化氫是中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室制取氧氣最常用的試劑，也是比較安全、廉價(jià)的試劑。實(shí)驗(yàn)室制備氧氣時(shí)，過氧化氫分解的化學(xué)方程式為：2H2O2 2H2O+O2↑。對(duì)催化劑的種類、用量以及過氧化氫的濃度對(duì)此反應(yīng)的影響進(jìn)行一些探究。

關(guān)鍵詞：催化劑；種類；質(zhì)量；過氧化氫；濃度

催化劑又稱觸媒，是一類能夠改變化學(xué)反應(yīng)速度而本身的質(zhì)量、組成和化學(xué)性質(zhì)在參加化學(xué)反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)。加快反應(yīng)速度的催化劑稱為正催化劑，減慢反應(yīng)速度的催化劑稱為負(fù)催化劑或緩化劑，我們通常所說的催化劑是指正催化劑。催化劑可以由一種物質(zhì)或幾種物質(zhì)組成，也可以是組成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的體系。常用的有：金屬催化劑、金屬氧化物催化劑、硫化物催化劑、酸堿催化劑、絡(luò)合催化劑、生物催化劑等。催化劑性能的主要指標(biāo)是活性、選擇性及使用壽命。多數(shù)具有工業(yè)意義的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程是在催化劑作用下進(jìn)行的。一種催化劑并不是說對(duì)所有的化學(xué)反應(yīng)都有催化作用，例如，二氧化錳在過氧化氫分解制取氧氣的反應(yīng)中起到催化作用，但對(duì)于其他的化學(xué)反應(yīng)不一定有催化作用。還有一些化學(xué)反應(yīng)并不是說只有一種催化劑，比如，過氧化氫分解制取氧氣的反應(yīng)中，能夠起一定催化作用的還有氧化鐵、氧化銅等。例如，二氧化錳可以作為過氧化氫（雙氧水）分解的催化劑。通過控制反應(yīng)條件，包括催化劑的種類、過氧化氫的濃度和最佳催化劑的用量，從而探究用過氧化氫制備氧氣的最佳條件，通過實(shí)驗(yàn)研究加深對(duì)催化劑功能的認(rèn)識(shí)。

一、實(shí)驗(yàn)部分

1.實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

儀器：鐵架臺(tái)（試管夾），大試管，膠塞，導(dǎo)管，錐形瓶，藥匙，量筒，臺(tái)秤。

試劑：過氧化氫溶液（5%、10%、15%、20%），二氧化錳，銅，氧化銅，氧化鐵。

2.實(shí)驗(yàn)過程

（1）探究催化劑種類對(duì)過氧化氫分解速率的影響

①在大試管中加入約15 mL10%的過氧化氫，加入0.2 g二氧化錳，迅速塞上膠塞，記錄用排水法收集50 mL氧氣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和所用的時(shí)間；

②在其他條件不變的情況下分別加入等質(zhì)量的氧化鐵、氧化銅、活性炭，重復(fù)上述步驟。

③實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

④實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

在室溫下，只改變催化劑的種類，其他條件不變的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出：對(duì)過氧化氫分解的催化反應(yīng)，二氧化錳的催化活性最好，反應(yīng)一開始就劇烈反應(yīng)，并放出大量熱量；氧化鐵和氧化銅對(duì)此分解反應(yīng)也起到一定的催化作用，但是一開始反應(yīng)都比較緩慢，后因反應(yīng)放熱，使得溫度升高，反應(yīng)速率加快，但催化效果還是不及二氧化錳；銅的催化效果最差，沒有明顯的現(xiàn)象。因此，四種催化劑對(duì)過氧化氫分解反應(yīng)的活性順序是：二氧化錳>氧化鐵≈氧化銅>銅。

（2）探究催化劑用量對(duì)過氧化氫分解速率的影響

為了探究催化劑的用量對(duì)過氧化氫分解反應(yīng)是否產(chǎn)生影響，在進(jìn)行每次實(shí)驗(yàn)時(shí)都用10mL10%的過氧化氫溶液，分別使用0.1 g，0.2 g，0.3 g……1.0 g不同量的二氧化錳催化劑，測(cè)定收集500mL氧氣的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

結(jié)果表明：在同一個(gè)反應(yīng)中，同一種催化劑的用量對(duì)反應(yīng)速率是有一定影響的，對(duì)于二氧化錳催化過氧化氫分解的反應(yīng)中，對(duì)于相同濃度、相同體積的過氧化氫在分解反應(yīng)中，隨著催化劑用量的增加，反應(yīng)速率依次加快，但到一定量時(shí)反應(yīng)速率達(dá)到最快，不會(huì)再隨催化劑用量的增加而加快。

（3）探究過氧化氫濃度對(duì)其分解速率的影響

為了探究過氧化氫濃度對(duì)其分解速率的影響，在進(jìn)行每次實(shí)驗(yàn)時(shí)都用相同量的二氧化錳催化劑0.2 g，分別用3 mL濃度為5%，10%，15%和20%的過氧化氫溶液，其他條件均不變，用排水法收集氧氣，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以及每次收集50 mL氧氣所需的時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：使用濃度為5%和10%的過氧化氫溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，反應(yīng)比較溫和，速度較快，產(chǎn)生氣泡，放出熱量；使用濃度為15%和20%的過氧化氫溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，反應(yīng)劇烈，并且難以控制，產(chǎn)生大量的氣泡，放出大量的熱。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

結(jié)果表明：在室溫條件下，對(duì)于過氧化氫的分解反應(yīng)，使用相同種類、相同質(zhì)量的催化劑二氧化錳，其他條件都相同，只改變過氧化氫溶液的濃度時(shí)，過氧化氫的濃度越高，其分解速率越快，也就是說，分解速率隨著過氧化氫的濃度的升高而加快。

二、總結(jié)

通過實(shí)驗(yàn)探究影響過氧化氫分解的因數(shù)，主要探究了室溫條件下催化劑的種類及其用量、過氧化氫的濃度對(duì)分解速率的影響。最后得出結(jié)論：二氧化錳作為催化劑時(shí)，對(duì)于過氧化氫的分解效果最為明顯，同時(shí)在二氧化錳作催化劑時(shí)，在一定范圍內(nèi)隨著催化劑用量的增多反應(yīng)速率增大，隨著過氧化氫濃度的增加，反應(yīng)速率也會(huì)增大。

三、催化劑的發(fā)展前景

1.全球的發(fā)展前景

催化劑在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中的作用舉足輕重，幾乎有半數(shù)以上的化工產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程中都采用催化劑。例如，合成氨生產(chǎn)中采用鐵做催化劑，硫酸生產(chǎn)中采用釩做催化劑，乙烯的聚合采用不同的催化劑。所以，催化劑還有很大的發(fā)展空間，將會(huì)給我們的生活帶來更多的驚喜。

2.我國(guó)的發(fā)展前景

鑒于我國(guó)的現(xiàn)實(shí)情況，我們應(yīng)該堅(jiān)持以下幾點(diǎn)：

（1）我國(guó)石油化工催化劑的發(fā)展必須堅(jiān)持研究、探索、開發(fā)、推廣的思路，不斷推進(jìn)催化劑更新?lián)Q代。

（2）抓住我國(guó)新催化劑材料和新催化劑在石油化工應(yīng)用研究領(lǐng)域里取得的新的技術(shù)生長(zhǎng)點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，組織力量，繼續(xù)努力，取得新的突破和新的發(fā)展。

（3）尋找成本更低的、催化效果更好的催化劑。

（4）轉(zhuǎn)變環(huán)保觀念，從單純的花錢治理向節(jié)能減耗，大力研究發(fā)展環(huán)保事業(yè)需要的各類催化技術(shù)和催化劑，開拓環(huán)保催化產(chǎn)業(yè)，研究開發(fā)有利于環(huán)境保護(hù)的石油化工催化劑。

參考文獻(xiàn)：

劉美玲.影響化學(xué)反應(yīng)速率因素之探究.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（32）.

To Explore the Influencing Conditions of the Chemical Reaction Rate

Wang Jiekang

Abstract：Hydrogen peroxide， chemical formula H2O2，commonly known as the aqueous solution of hydrogen peroxide，the appearance is colorless transparent liquid，it is a strong oxidizing agent，suitable for wound disinfection，food and environment disinfection.At the same time，hydrogen peroxide is the most commonly used reagents of making oxygen in the school chemistry laboratory，it also is relatively safe and cheap reagent.Laboratory preparation of oxygen， hydrogen peroxide decomposition of chemical equation is： 2H2O2 2H2O + O2 ↑So，the teacher explores the kinds，dosage of catalyst and hydrogen peroxide concentration on the influence of the reaction.

Key words：catalyst；variety； quality； hydrogen peroxide；concentration

編輯 李建軍