過氧化氫催化分解制備氧氣的實驗改進研究

王麗麗 吳暾艷 張艷華 譚宗俊

摘要： 在梳理二氧化錳催化過氧化氫分解實驗中粉末狀二氧化錳轉化成顆粒狀的研究成果的基礎上，對二氧化錳顆粒化進行了系列研究和設計。通過實驗驗證，效果良好，便于一線教師操作和使用。對初中教材三種制備氧氣方法進行了綜合比較，認為過氧化氫催化分解法最優。

關鍵詞： 二氧化錳; 過氧化氫; 催化分解; 實驗改進 ? ? ?文章編號： 10056629（2019）6007303??????中圖分類號： G6338??????文獻標識碼： B

1?該實驗的不足和改進方法的文獻綜述

用二氧化錳催化過氧化氫分解生成氧氣這個實驗已經成為現行初中化學教材中的經典實驗，盡管不同版本的初中教材對該實驗的敘述和要求有所不同，但是教材中使用的二氧化錳都為粉末狀是相同的。粉末狀的二氧化錳與過氧化氫接觸面積較大，反應速率較快，但是粉末狀的二氧化錳存在以下問題： 過氧化氫與粉末狀二氧化錳形成黑色的懸濁液在反應中不停翻滾，影響了實驗現象的觀察;由于反應速率較快，收集氧氣時教師一個人操作有點困難，時常手忙腳亂、顧此失彼;另外，二氧化錳粉末顆粒非常小，不方便回收，所以大多數教師放棄回收而造成資源浪費和環境污染。

為了解決上述問題，很多研究者均考慮將粉末狀的二氧化錳加工成塊狀（或顆粒狀，或用膠水粘附，或用濾紙包裹等），達到使二氧化錳方便回收并可以重復使用之目的[1～9]。

基于上述已有研究成果，我們也試圖尋找能夠使二氧化錳粉末形成塊狀或顆粒狀的簡便易行的方法。

2?粉末狀二氧化錳形成塊狀、顆粒狀途徑

用堵漏劑和乳白膠調和使二氧化錳粉末塊狀化

生活中下水道漏水時需要用堵漏劑修補時，在漏水處敷上調和好的堵漏劑會很快固化防止漏水，受此啟示，用堵漏劑使二氧化錳粉末塊狀化。

實驗藥品： 二氧化錳粉末、堵漏劑、乳白膠

實驗步驟：

（1） 用二氧化錳粉末和堵漏劑分別按照1∶1、 1∶2的質量比，加入適量水和乳白膠調和，乳白膠的主要成分是聚乙烯醇，無毒，可以和水以任意比例互溶。

（2） 將調和好的糊狀混合物裝入方形塑料袋中，壓成約05cm厚的片狀。

（3） 用切口整齊光滑的刀將步驟（2）中的物質切壓成1cm左右的方格。（注意不要切破塑料袋，糊狀混合物硬化的時間有10分鐘左右，完全可以有時間從容做完這一步）

（4） 待兩、三天完全硬化后，扳開即成為規則的小方塊。

用熔化的石蠟使二氧化錳粉末顆粒化

蠟燭點燃時，固態蠟會受熱液化，冷卻又會轉變為固體，用此性質使二氧化錳粉末顆粒化。

實驗藥品： 二氧化錳粉末、蠟燭

實驗步驟：

（1） 點燃蠟燭，使熔化后的蠟滴入二氧化錳粉末中并不斷攪拌，粉末粘附在蠟滴顆粒上。

（2） 冷卻后用洗滌劑清洗顆粒外面附著不穩的粉末。

（3） 使用5%的過氧化氫溶液置于燒杯中，將固化的二氧化錳投入其中。進一步除去表面附著力不夠的粉末，即可得到顆粒狀的催化劑。

用補鞋膠水使二氧化錳粉末顆粒化

實驗藥品： 二氧化錳粉末、補鞋膠水

實驗步驟：

（1） 將補鞋膠水滴入二氧化錳粉末中（補鞋膠水為成都因爾達膠業有限公司生產），邊滴邊來回搖動粉末，當滴入6～7滴后，膠水將粉末聚合成小圓球狀。

（2） 固化后的顆粒用洗滌劑反復洗掉外層沒有粘牢固的粉末后晾干備用。

用補鞋膠水固化二氧化錳粉末，補鞋膠水的主要成分為樹脂，承受溫度在80℃左右，比502膠水承受溫度高，502膠水的主要成分為α氰基丙烯酸乙酯，使用時在空氣中微量水的催化作用下發生加聚反應生成高分子化合物而粘合物體，承受溫度60～70℃。因補鞋膠水固化速度比502膠水略慢，因此比502膠水固化二氧化錳后的顆粒更接近圓球狀，美觀度更好。

3?用塊狀二氧化錳催化劑做過氧化氫催化分解實驗

常規實驗

實驗藥品和儀器： 雙氧水、塊狀或顆粒狀二氧化錳催化劑（上述三種）、試管等

實驗操作和現象：

（1） 取三支試管，分別放入適量的質量分數為5%的過氧化氫溶液和使用適量的三種不同材料制作的塊狀或顆粒狀二氧化錳催化劑。三支試管中的催化劑表面都產生了大量的氣泡，溶液澄清，將帶有火星的木條伸入試管內，木條復燃。實驗現象明顯。

（2） 將顆粒狀或塊狀的二氧化錳洗凈、晾干、重復上述操作，現象依然明顯。

制備氧氣的實驗

實驗藥品和儀器： 藥品同31;儀器為錐形瓶、長頸漏斗、止氣夾、玻璃導管，紗布

組成如圖1所示的簡易氣體發生裝置：

檢查好氣密性，將上面制成的塊狀固體用紗布包裹，用細線扎好吊于錐形瓶口，將5%的過氧化氫溶液30mL從長頸漏斗倒入，可以像實驗室制備二氧化碳一樣制備氧氣。收集好一瓶氧氣后，關閉止氣夾，過氧化氫溶液被壓入長頸漏斗，反應停止，打開止氣夾反應繼續進行。

意外的發現

在實驗中，我們用15%左右的過氧化氫溶液與上述三種塊狀、顆粒狀催化劑進行反應，發現使用補鞋膠和堵漏劑制作的催化劑都可正常使用，而使用蠟燭制作的催化劑出現了石蠟熔化，粉末狀二氧化錳分散在過氧化氫溶液中的情況。究其原因，是因為過氧化氫濃度較大，反應速率較快，產生大量的熱，而石蠟根據成份不同，在47～64℃之間可發生熔化。因此，某些氣溫較高的地區不適合使用。

4?結論

本文提供了三種簡便易行的制作塊狀、顆粒狀二氧化錳催化劑的方法。具有材料易得、操作簡單、綠色環保、節約資源等益處。

材料易得

無論是堵漏劑、白乳膠、蠟燭還是補鞋膠都是生活中常見的物質，獲取途徑方便。

操作簡單

無論選擇何種材料來固化粉末狀二氧化錳，都只需要簡單的幾步操作即可。

三種制備氧氣方法比較與建議

三種制備氧氣方法比較

當前的初中化學教材中，只有滬教版介紹氧氣制取時，教師的演示實驗是用二氧化錳催化過氧化氫分解法。其他版本，或用KMnO4加熱分解法，或用KClO3加熱分解法，學生實驗活動中，人教版安排的也是高錳酸鉀加熱分解法[10]。有研究者對三種方法作過比較[11]，無論是從消耗資源、能源還是裝置的簡便性或者試劑的安全性以及對環境的綠色友好等，均是二氧化錳催化H2O2的方法更好[12]。

現行初中教材介紹的3種制備氧氣的方法實驗成本研究結果表明，按照2015年的試劑價格，制備32g氧氣時3種方法不計算前二者酒精加熱的費用，成本依次為： KMnO4 316元>KClO3 84元>H2O2 66元（其中二氧化錳成本4元[13]，如果二氧化錳能夠制備成規則的顆粒狀便于回收從而反復使用，則成本僅26元），可以看出還是過氧化氫分解法成本最低。

建議

（1） 實驗儀器試劑供應商可以在了解一線學校和學科教師需求的基礎上，與試劑生產廠家聯系，統一生產顆粒狀或者方塊狀的二氧化錳，這樣便于回收和重復使用，以解決學科教學的需求。

（2） 建議在初中化學教材再次改編時，無論是教師演示還是學生必做實驗，實驗室制備氧氣時應選擇采用二氧化錳催化過氧化氫分解法，此法不僅材料易得、操作簡單、成本低，而且更能體現和落實綠色化學的理念。

參考文獻：

[1]?白福秦， 何靜. 氧氣的實驗室制法[J]. 化學教育， 1988， 9（1）： 46.

[2]?王發應， 李太銳， 熊倫. 來自石膏像制作方法的啟示[J]. 化學教學， 2015， （9）： 61～62.

[3]?高改玲， 錢博. 用過氧化氫分解制取氧氣[J]. 中學化學教學參考. 2002， （Z1）： 77.

[4]?盧香宇. 過氧化氫制取氧氣的新方法[J]. 化學教學， 2008， （3）： 9～10.

[5]?顧鳴英， 丁偉. 實驗室用過氧化氫制取氧氣方法的改進[J]. 化學教學， 2009， （10）： 18～19.

[6]?李焱. 二氧化錳催化分解過氧化氫的探究性實驗設計[J]. 化學教與學， 2013， （9）： 88.

[7]?王胤琪. 對二氧化錳催化過氧化氫制取氧氣實驗的改進[J]. 中小學實驗與裝備， 2013， 23（3）： 38.

[8]?崔迎春. “分解過氧化氫制氧氣反應中二氧化錳作用”的實驗改進[J]. 中學化學， 2014， （1）： 24.

[9]?中國教育裝備行業協會.第三屆全國中小學實驗教學說課活動[R].廣州：2015.

[10]?王晶， 鄭長龍. 義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊）[M]， 北京： 人民教育出版社， 2012： 45～46.

[11][12][13]?潘國榮， 白顯圣， 陳正美， 實驗室制取氧氣方法的對比及建議[J]. 化學教學， 2015， （9）： 45～48.