利用手持技術(shù)探究過氧化氫生物催化劑種類及用量

鄭莊鈺 陳燕 倪佳琪 倪佳琳

摘要：針對中學(xué)生物和化學(xué)課堂中“探究催化劑對雙氧水的分解作用實(shí)驗(yàn)”存在試劑有毒、價格較貴、不易保存、比較方法較為粗略等問題，改用常見、便宜、容易購買的水果蔬菜作為催化劑，利用壓強(qiáng)傳感器觀測不同種類及用量的催化劑分解H2O2的速率，從中選擇適于課堂演示及學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)的生物催化劑及其用量。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，室溫下以2g上海青葉作為催化劑與2mL 3%H2O2溶液反應(yīng)最適合中學(xué)課堂演示及中學(xué)生自主探究實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：手持技術(shù);過氧化氫;壓強(qiáng);生物催化劑

文章編號：1008-0546（2019）06-0084-04 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.024

中學(xué)化學(xué)用于H202分解制氧氣演示實(shí)驗(yàn)常見的催化劑是MnO2和FeCI3;中學(xué)生物使用了豬肝勻漿中的過氧化氫生物酶對H2O2催化分解。但傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，觀察過氧化氫的分解現(xiàn)象和比較催化劑催化效果的方法不夠精確。另外，這些催化劑的催化效果雖好，但制作復(fù)雜、成本較高、污染環(huán)境。從現(xiàn)有文獻(xiàn)中得知，目前針對過氧化氫分解的研究主要圍繞的是過氧化氫的金屬催化劑生產(chǎn)開發(fā)及金屬催化劑和生物催化劑的效果對比;在手持技術(shù)出現(xiàn)之后，對過氧化氫分解的研究對象也依然主要是金屬催化劑;除中學(xué)課本涉及到的這三種催化劑外，一些植物的莖、葉、果實(shí)中也含有大量過氧化氫酶，并且植物催化劑能克服動物催化劑和金屬催化劑的一些不足，有獨(dú)特優(yōu)勢，如貼近生活、易于制作、花費(fèi)低、綠色可再生等，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。本文將利用手持技術(shù)比較常見的生物催化劑的催化活性，并應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)，為中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供參考。

一、過氧化氫分解實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究

過氧化氫（H2O2，又名雙氧水）是一種“綠色”化工產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、環(huán)保、軍工等。過氧化氫自身分解非常緩慢，但許多無機(jī)、有機(jī)雜質(zhì)或高溫、強(qiáng)光照射都能誘發(fā)其發(fā)生分解反應(yīng)并釋放大量熱量，當(dāng)其分解速度過快而不能及時散熱則容易出現(xiàn)危險乃至爆炸。因此有不少研究重點(diǎn)在于如何控制過氧化氫的分解條件，如研究各類過氧化氫分解催化劑的催化分解動力參數(shù)、比較各類催化劑的催化效果、尋找和開發(fā)各種新型環(huán)保、廉價、重復(fù)使用良好的過氧化氫分解催化劑等。這些研究和專利發(fā)明主要用于生產(chǎn)，主要為金屬負(fù)載型催化劑、過渡金屬氧化物催化劑以及非金屬催化劑。

過氧化氫在金屬化合物以及過氧化氫酶的催化作用下能夠分解產(chǎn)生氧氣，借助該實(shí)驗(yàn)可以認(rèn)識化學(xué)反應(yīng)的條件、催化劑的作用以及生物酶的特點(diǎn)，因此該反應(yīng)為中學(xué)化學(xué)及生物重要知識點(diǎn)之一。教師在探究催化劑對雙氧水分解作用的實(shí)驗(yàn)時通常使用三氯化鐵、二氧化錳和新鮮豬肝作為催化劑，并通過觀察氣泡產(chǎn)生情況、點(diǎn)燃的線香或留有余燼的小木條復(fù)燃情況來比較催化效果。這些實(shí)驗(yàn)方案存在的問題有：由于過量的錳進(jìn)入機(jī)體可引起中毒，損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)，因此實(shí)驗(yàn)后的二氧化錳要盡量回收，否則造成污染;新鮮豬肝價格較貴、不易保存（冷凍會使酶失去活性）且實(shí)驗(yàn)前的處理較為麻煩;憑肉眼觀察氣泡產(chǎn)生的數(shù)量，只能定性和粗略定量地比較催化效果。

由于過氧化氫酶作為一種氧化還原酶，普遍存在于生物體內(nèi)，能以極高的速率催化分解過氧化氫為水和氧氣，因此有研究嘗試以植物催化劑替代動物肝臟進(jìn)行過氧化氫分解比較研究。如成蘊(yùn)秀、陳曉波等（2015）比較了蘿卜、馬鈴薯、蘋果的催化效果，得出馬鈴薯催化效果較好且便于保存，可替代豬肝實(shí)驗(yàn)。張春艷、李榮飛（2010）研究了新鮮菠菜、苦荬菜、桑葉、新鮮土豆、辣椒催化H2O2分解的反應(yīng)速率以及H2O2濃度對反應(yīng)速率的影響，得出桑葉催化效果最.好，催化劑的用量以3.0g為宜，H2O2的濃度10%即可。這些研究均采用中學(xué)課本中的肉眼觀察法得出以上結(jié)論。

在手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)入中學(xué)課堂之后，出現(xiàn)了以該實(shí)驗(yàn)技術(shù)探究過氧化氫分解制氧氣的條件研究，如催化劑種類及用量、雙氧水濃度及用量等。這些研究除陳承聲、區(qū)永麟（2009）使用了酶催化劑（馬鈴薯和干酵母）外，其余均使用二氧化錳、三氯化鐵、碘化鉀等金屬催化劑。

綜上所述，使用手持技術(shù)和生物催化劑以解決當(dāng)前中學(xué)教學(xué)中過氧化氫分解實(shí)驗(yàn)存在的問題，其研究尚不多見。因此本研究將利用手持技術(shù)探究常見果蔬生物催化劑及其用量對過氧化氫分解的催化效果，開發(fā)適合中學(xué)化學(xué)及生物教學(xué)的綠色環(huán)保、直觀定量的過氧化氫分解實(shí)驗(yàn)方案。

二、利用手持技術(shù)研究過氧化氫生物催化劑的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

比較不同生物催化劑的催化活性，并選出最適合做課堂演示實(shí)驗(yàn)的生物催化劑及實(shí)驗(yàn)條件。

2.實(shí)驗(yàn)原理

壓強(qiáng)傳感器測量過氧化氫在生物催化劑的催化下分解產(chǎn)生氧氣形成的壓強(qiáng)，反映不同生物中過氧化氫酶的活性高低，反應(yīng)的方程式如下：2H2O2=催化劑2H2O+O2↑。

3.實(shí)驗(yàn)用品

實(shí)驗(yàn)儀器：藥匙、量筒（10mL，50mL）、滴管、容量瓶（50mL）、電子天平、壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、研缽、鐵架臺、錐形瓶（50mL）、橡皮塞、具支試管、計(jì)算機(jī)。

實(shí)驗(yàn)試樣及試劑：水果類（蘋果、梨）、蔬菜類（土豆、上海青）、菌類（金針菇、香菇）、30%H2O2溶液、蒸餾水。

三、實(shí)驗(yàn)探究過程

1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

（1）將30%H2O2溶液稀釋成3%H2O2溶液以備用。

（2）將蘋果皮、蘋果肉、梨皮、梨肉、土豆皮、去皮土豆、上海青葉、上海青桿、金針菇、香菇研磨碎。

（3）將壓強(qiáng)傳感器與數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)相連，設(shè)置采樣頻率：2個/s。

（4）將壓強(qiáng)傳感器與具支試管的支管相連，用橡皮塞密封具支試管，并用手心握住具支試管，開啟數(shù)據(jù)采集器，檢查裝置氣密性。

2.實(shí)驗(yàn)方法

（1）取生物催化劑碎末放入具支試管中，用量筒量取2mL 3%H2O2溶液備用。

（2）將2mL 3%H2O2溶液倒入具支試管并立即用橡皮塞密封具支試管，同時啟動數(shù)據(jù)采集程序。待反應(yīng)完全，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，停止實(shí)驗(yàn)，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。不加入催化劑重復(fù)實(shí)驗(yàn)一次作為對比實(shí)驗(yàn)。

（3）將采集到的數(shù)據(jù)用Origin軟件處理，得到反應(yīng)前后壓強(qiáng)隨時問變化曲線。

3.實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

[實(shí)驗(yàn)1]探究生物催化劑種類對過氧化氫分解的影響，各生物催化劑碎末用量為2.0g;3%H2O2溶液2mL。

[實(shí)驗(yàn)2]探究生物催化劑用量對過氧化氫分解的影響，取催化性能最好的生物催化劑碎末，用量分別為1.0g、2.0g、3.0g;3%H2O2溶液2mL。

4.注意事項(xiàng)

（1）由于溫度不僅會影響過氧化氫分解速率，還會影響酶的活性，并且在5-50℃時過氧化氫分解為一級反應(yīng)。因此本實(shí)驗(yàn)在室溫條件下操作即可。

（2）實(shí)驗(yàn)時要用新鮮的生物催化劑，現(xiàn)磨現(xiàn)用，避免生物催化劑被氧化。

（3）過氧化氫在常溫下見光也會分解，因此實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)盡量避免光線直接照射，過氧化氫溶液應(yīng)放在陰涼處且現(xiàn)用現(xiàn)取。

四、結(jié)果與討論

1.探究生物催化劑種類對過氧化氫分解的影響

實(shí)驗(yàn)條件：各生物催化劑碎末用量為2.0g，3%H2O2溶液2mL，實(shí)驗(yàn)溫度27.8%，壓強(qiáng)100.7kPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出：

（1）同種生物不同部位對過氧化氫的催化活性可能不同。

（2）金針菇、香菇的催化活性特別強(qiáng)，在實(shí)驗(yàn)過程中催化過氧化氫產(chǎn)生氧氣的速度很快，易導(dǎo)致反應(yīng)瞬間產(chǎn)生的大量氧氣來不及收集，造成實(shí)驗(yàn)誤差，增加實(shí)驗(yàn)難度。

（3）從反應(yīng)時間、曲線線性和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來看，上海青葉的催化效果最佳。由于葉子質(zhì)量較輕，碎末較疏松，可以與過氧化氫充分接觸，葉子碎末會隨過氧化.氫分解產(chǎn)生的氧氣上移，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象非常明顯。另外，反應(yīng)在5分鐘內(nèi)結(jié)束，在4分鐘左右達(dá)到峰值，適合在有限的課堂時間內(nèi)做演示實(shí)驗(yàn)，還能讓學(xué)生充分感受到反應(yīng)限度這一概念。因此，接下來的實(shí)驗(yàn)將探究上海青葉用量對過氧化氫分解的影響。

（4）本輪實(shí)驗(yàn)還增加了一組活性炭，目的是為了探究不同生物催化劑催化性能的不同可能是由于比表面的不同引起的。

2.探究生物催化劑用量對過氧化氫分解的影響

實(shí)驗(yàn)條件：上海青葉碎末用量分別為1.0g、2.0g、3 0g，3%H2O2溶液2mL，實(shí)驗(yàn)溫度30.2%，壓強(qiáng)100.5kPa，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出：

（1）過氧化氫分解程度隨催化劑用量增加而增加，但分解速率并不呈現(xiàn)這樣的規(guī)律，原因可能是2mL的H2O2溶液不能完全浸沒3g上海青葉碎末，導(dǎo)致反應(yīng)物不能充分接觸。反應(yīng)開始時，H2O2溶液只能與上層上海青葉反應(yīng)，待上層葉子反應(yīng)且隨氧氣上移以后，下層葉末才開始反應(yīng)。因此催化劑用量為3g時的反應(yīng)時間比2g的多，且曲線斜率比用量為2g的小。

（2）從曲線線性來看，催化劑的用量為1g和3g時曲線整體平滑性不太好，視覺上不美觀。當(dāng)催化劑的用量為2g時，條線的平滑性比較好。所以當(dāng)過氧化氫濃度為3%，用量為2mL時，選用2g上海青葉最合適。

五、實(shí)驗(yàn)總結(jié)

1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納

（1）生物催化劑種類對催化活性的影響：（金針菇、香菇）>上海青>梨>土豆>蘋果，且皮的催化活性高于肉，蔬菜葉的催化活性高于蔬菜桿。上海青葉實(shí)驗(yàn)時的反應(yīng)時間較合理、曲線平滑性較好、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯。

（2）催化劑用量對催化活性的影響：2g上海青葉實(shí)驗(yàn)時的曲線平滑性較好。

綜上所述，選擇2g上海青葉作為2mL 3%H2O2溶液的生物催化劑是課堂演示實(shí)驗(yàn)的最佳條件。

2.本實(shí)驗(yàn)方案在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)

與一般的生物和化學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)相比，本實(shí)驗(yàn)通過實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)手段的創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)的綠色化，提高了實(shí)驗(yàn)測定的精確度和趣味性，非常適合中學(xué)生進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)以及課堂演示之用。

（1）實(shí)驗(yàn)材料的創(chuàng)新——實(shí)驗(yàn)更加綠色環(huán)保、安全有趣

在中學(xué)化學(xué)課和生物課中關(guān)于雙氧水分解實(shí)驗(yàn)的催化劑一般使用如二氧化錳、三氯化鐵等金屬化合物催化劑和新鮮的豬肝勻漿這樣的生物催化劑。由于二氧化錳粉塵可引起人的錳塵肺，高價錳氧化物不論侵入機(jī)體的途徑，其毒性作用對大腦有損傷，因此使用二氧化錳作為催化劑時，若處理不當(dāng)可能對環(huán)境和人體造成不良影響。而新鮮豬肝作為催化劑，需要制作成勻漿且價格較高、不易保存，其氣味、性狀及衛(wèi)生情況都不易于引發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣。本實(shí)驗(yàn)從日常生活實(shí)際出發(fā)，使用一年四季常見的水果蔬菜等植物替代上述催化劑，不僅價格便宜方便易得，而且用材安全環(huán)保，實(shí)驗(yàn)后不需要回收處理，不對環(huán)境造成污染，實(shí)驗(yàn)過程安全有趣，非常適合學(xué)生自主探究了解過氧化氫的化學(xué)性質(zhì)以及催化劑和生物酶的作用。

（2）實(shí)驗(yàn)手段的創(chuàng)新——定性與定量結(jié)合、動態(tài)追蹤實(shí)驗(yàn)進(jìn)程

中學(xué)化學(xué)課和生物課通常采用肉眼觀察反應(yīng)過程中氣泡產(chǎn)生的數(shù)量和快慢來比較過氧化氫在不同條件下的分解情況，其測定較為粗略。本實(shí)驗(yàn)使用現(xiàn)代化的手持技術(shù)實(shí)驗(yàn)手段，利用壓強(qiáng)傳感器測定單位時間內(nèi)過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣的壓強(qiáng)值，并以動態(tài)曲線的形式呈現(xiàn)反應(yīng)速率的變化，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化成數(shù)字與圖像，不僅可以同步觀測到宏觀現(xiàn)象和與之對應(yīng)的實(shí)時氣壓數(shù)值，還能從定性和定量兩個角度了解化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。

（3）實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新——實(shí)驗(yàn)操作簡單、結(jié)果準(zhǔn)確直觀、用時適中

本實(shí)驗(yàn)方案在選擇實(shí)驗(yàn)材料種類及用量時，除了考慮季節(jié)性以及實(shí)驗(yàn)試劑及試液用量原則以外，還考慮了過氧化氫稀釋時的計(jì)算問題，減少了計(jì)算工作，降低了操作難度。利用手持技術(shù)壓強(qiáng)傳感器和計(jì)算機(jī)自動測試記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高、數(shù)據(jù)處理快捷;通過對采集記錄到的多組數(shù)據(jù)作圖，可以進(jìn)行較為精確的催化效果對比，直觀感受到不同催化劑及用量對反應(yīng)的影響;實(shí)驗(yàn)花費(fèi)的時間比較適中（3-5min），不僅可作為教師課堂演示實(shí)驗(yàn)，也可作為學(xué)生課堂或課后趣味實(shí)驗(yàn)，尋找更多生活中可作為過氧化氫催化劑的物質(zhì)，拓寬學(xué)生的視野，感受科學(xué)探究的樂趣。