過氧化氫被二氧化錳催化分解實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

文 潘國(guó)榮

催化劑與催化作用是初中化學(xué)的重要知識(shí)，現(xiàn)行義務(wù)教育化學(xué)教科書的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中已經(jīng)有使用二氧化錳催化過氧化氫分解代替二氧化錳催化氯酸鉀分解的大趨勢(shì)。各種版本的設(shè)計(jì)略有不同，但都存在一定的不足。

一、教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

二氧化錳對(duì)過氧化氫分解的催化作用，現(xiàn)在不同版本的初中化學(xué)教科書設(shè)計(jì)時(shí)有所區(qū)別。2012年人教版初中化學(xué)教科書[1]是這樣設(shè)計(jì)的(如圖1所示)：

(1)在試管中加入5 mL5﹪過氧化氫溶液，把帶火星的木條伸入試管，觀察現(xiàn)象。

(2)向上述試管中加入少量二氧化錳，把帶火星的木條伸入試管，觀察現(xiàn)象。

(3)待上述試管中沒有現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，重新加入過氧化氫溶液，并把帶火星的木條伸入試管，觀察現(xiàn)象。待上述試管中又沒有現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，重復(fù)上述操作，觀察現(xiàn)象。

圖1 過氧化氫分解實(shí)驗(yàn)示意圖

2012年仁愛版初中化學(xué)教科書[2]是這樣設(shè)計(jì)的：

取三支試管，各加入少量5%的過氧化氫(H2O2)溶液，將一支試管置于室溫下，將另一支試管在酒精燈火焰上加熱，在第三支試管中加入少量二氧化錳粉末。用帶火星的木條分別伸入三支試管內(nèi)，觀察并比較實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析得出相關(guān)的結(jié)論。

二、教材實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足

二氧化錳催化過氧化氫分解是一個(gè)劇烈的放熱反應(yīng)，能夠使過氧化氫溶液產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，并有大量的水霧從試管中冒出來(lái)。人教版教科書實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足是，過氧化氫溶液用量偏大，反應(yīng)太劇烈；試管中先盛液體后放粉狀固體，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)操作難度大了一點(diǎn)，不太方便，學(xué)生容易把二氧化錳撒出試管外；對(duì)比性不太強(qiáng)，沒有說(shuō)明過氧化氫受熱也能夠緩慢放出氧氣的性質(zhì)，不能說(shuō)明催化劑能夠讓化學(xué)反應(yīng)在比較溫和的溫度下發(fā)生這一特性。

仁愛版教材實(shí)驗(yàn)中，分別取5%，10%，20%，30%的過氧化氫溶液在酒精燈火焰上加熱，可以看到有大量的小氣泡產(chǎn)生。由于同時(shí)生成大量的水蒸氣，即使加熱到沸騰，我們也沒有看到帶火星木條復(fù)燃的現(xiàn)象，30%的過氧化氫溶液加熱不小心還會(huì)產(chǎn)生暴沸現(xiàn)象，比較危險(xiǎn)。加二氧化錳的操作與人教版實(shí)驗(yàn)的不足相同，學(xué)生操作不太方便。

三、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

取20 mm×200 mm規(guī)格的試管先割短成20 mm×120 mm規(guī)格的試管(以下稱“中試管”)待用；15 mm×150 mm規(guī)格的試管(以下稱“小試管”)；試管與二氧化錳要烘干。

2.實(shí)驗(yàn)步驟

(1)先取大約5 mL5%的過氧化氫溶液倒入小試管里，再取大約1 g的二氧化錳置于中試管里，用帶火星的木條分別伸入中、小試管里，觀察現(xiàn)象。木條是否復(fù)燃？

(2)把小試管放入中試管里，并用小試管稍稍壓緊二氧化錳后，用試管夾夾起中試管讓兩支試管套在一起，在酒精燈火焰上加熱中試管，觀察中試管與小試管里的現(xiàn)象；待小試管里的過氧化氫溶液沸騰后，用帶火星的木條分別放在中試管口與小試管里，觀察現(xiàn)象。木條是否復(fù)燃？

(3)取出小試管冷卻待用，繼續(xù)加熱中試管里的二氧化錳2 min左右，用帶火星的木條伸入中試管里，觀察現(xiàn)象。木條是否復(fù)燃？

(4)待中試管稍冷卻后，回收一半的二氧化錳，留下一半二氧化錳在中試管里，中試管冷卻后(可以用冷水冷卻外壁，縮短冷卻時(shí)間)，把小試管里的過氧化氫溶液大約2 mL倒入中試管里，觀察現(xiàn)象，并立即用帶火星的木條伸入中試管里；約1 min后，再把小試管里剩余的過氧化氫溶液分兩次(間隔約1 min)倒入中試管里，并立即用帶火星的木條伸入中試管里，觀察現(xiàn)象。木條是否復(fù)燃？

四、實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的現(xiàn)象

(1)常溫下二氧化錳不分解；過氧化氫難分解，觀察不到小氣泡，帶火星的木條不復(fù)燃。

(2)加熱二氧化錳也不分解；過氧化氫緩慢分解，觀察到許多小氣泡產(chǎn)生，帶火星的木條不復(fù)燃，說(shuō)明氧氣量很少。

(3)繼續(xù)加熱二氧化錳也不分解，帶火星的木條不復(fù)燃。

(4)倒入過氧化氫溶液后劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱，溶液有沸騰現(xiàn)象并產(chǎn)生大量氣泡，試管內(nèi)出現(xiàn)大量白霧并不斷上升冒出試管，帶火星的木條復(fù)燃。

繼續(xù)倒入過氧化氫溶液后又劇烈反應(yīng)起來(lái)，溶液又重新沸騰并產(chǎn)生大量氣泡，用帶火星的木條試驗(yàn)，木條重新復(fù)燃。

五、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：(1)藥品用量少而清楚，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短、效率高；(2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比性強(qiáng)；(3)藥品回收，有利于對(duì)學(xué)生進(jìn)行節(jié)約與環(huán)保教育；(4)通過不斷加入過氧化氫，反應(yīng)又劇烈起來(lái)，二氧化錳不見減少，有效說(shuō)明了反應(yīng)減少的是過氧化氫；(5)操作難度降低，效果好，有利于學(xué)生的探究活動(dòng)；(6)有效說(shuō)明了催化劑能夠在比較溫和的溫度下加快化學(xué)反應(yīng)速度。

參考資料

[1]王晶,鄭長(zhǎng)龍.義務(wù)教育教科書·化學(xué)(九年級(jí)上冊(cè))[M].北京:人民教育出版社,2012.

[2]沈怡文,陳德余.義務(wù)教育教科書·化學(xué)(九年級(jí)上冊(cè))[M].北京:北京教育出版社,2012.