硬錳礦石催化過(guò)氧化氫制備氧氣的實(shí)驗(yàn)探究

夏九云 劉傳友 毛思哲 曹飛

摘要： 人教版初中教材中“二氧化錳催化過(guò)氧化氫分解的探究”實(shí)驗(yàn)中存在催化劑質(zhì)量不易保證，難以回收等不足。為此，采用硬錳礦石作為催化劑，探究證明其具有良好的催化活性，驗(yàn)證催化劑質(zhì)量在反應(yīng)前后保持不變;另將硬錳礦石應(yīng)用于啟普發(fā)生器制備氧氣，能夠很好地控制反應(yīng)發(fā)生或停止。整個(gè)實(shí)驗(yàn)催化劑可再回收利用，具有更精確、簡(jiǎn)便、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 硬錳礦石; 催化劑; 過(guò)氧化氫; 氧氣制備; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2020）05007302

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

目前，關(guān)于過(guò)氧化氫分解實(shí)驗(yàn)選用不同催化劑的方案有很多，如王麗麗等[1]對(duì)二氧化錳粉末轉(zhuǎn)化成顆粒狀進(jìn)行系列研究與設(shè)計(jì)。信云霞等[2]總結(jié)負(fù)載型金屬、過(guò)渡金屬氧化物以及非金屬催化劑對(duì)雙氧水分解反應(yīng)的催化效果以及影響因素。許亮亮團(tuán)隊(duì)[3]選用天然多糖海藻酸鈉作為催化劑支架。宋盼等[4]嘗試用硫酸亞鐵等物質(zhì)代替二氧化錳。而關(guān)于利用啟普發(fā)生器制取氧氣的研究主要是通過(guò)固定二氧化錳粉末來(lái)達(dá)到控制反應(yīng)的發(fā)生和停止[5～7]。

1 問(wèn)題的提出

教材中過(guò)氧化氫分解制備氧氣的實(shí)驗(yàn)是使用粉末狀二氧化錳，通過(guò)探究來(lái)認(rèn)知催化劑的含義。實(shí)際教學(xué)中要證明反應(yīng)前后催化劑質(zhì)量保持不變，整個(gè)過(guò)程需進(jìn)行過(guò)濾、洗滌、干燥、稱量等系列操作，課堂上很難一氣呵成。同時(shí)二氧化錳黑色粉末對(duì)氣泡觀察有干擾，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不清晰。另外，粉末狀二氧化錳作為催化劑制備氧氣反應(yīng)速率過(guò)快，不利于控制反應(yīng)的進(jìn)行，且回收再循環(huán)使用也不方便。

基于以上存在的問(wèn)題需對(duì)該實(shí)驗(yàn)作進(jìn)一步探究和改進(jìn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硬錳礦石對(duì)該反應(yīng)也有良好的催化作用，能較順利地驗(yàn)證催化劑的定義及其形成過(guò)程，有利于初三學(xué)生直觀正確地理解催化劑含義，深入建立和認(rèn)知催化劑概念模型。將硬錳礦石應(yīng)用于啟普發(fā)生器制取氧氣，使催化劑可以重復(fù)使用。

2 實(shí)驗(yàn)探究

2.1 硬錳礦石對(duì)過(guò)氧化氫分解的催化活性試驗(yàn)

2.1.1 儀器和試劑

儀器： 托盤天平、大試管（2支）、量筒、膠頭滴管、火柴、濾紙、鑷子

試劑： 體積分?jǐn)?shù)為15%的過(guò)氧化氫溶液、塊狀硬錳礦石（天津朝陽(yáng)中興礦業(yè)公司，條痕微褐黑色至黑色的結(jié)晶固體，質(zhì)硬，脆。化學(xué)式mMnO·MnO2·nH2O，其中MnO2含量為60%～80%，MnO為8%～25%，還有微量的其他雜質(zhì)。礦石大顆粒直徑5～7cm，表面夾雜干黃泥等雜質(zhì)，需要反復(fù)浸泡，清洗，干燥，敲打成小顆粒狀用于實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)后形狀不改變，也不溶解于水）

2.1.2 操作步驟和現(xiàn)象

（1） 在兩支大試管中各加入10mL體積分?jǐn)?shù)為15%的過(guò)氧化氫溶液，用帶火星的木條插入到試管中檢驗(yàn)，都不復(fù)燃。

（2） 向其中一支試管中加入一顆質(zhì)量為3.2g硬錳礦石（見圖1）。反應(yīng)非常劇烈，產(chǎn)生大量氣泡，溶液澄清透明，沒(méi)有白沫，試管外壁發(fā)熱，用帶火星的木條放在試管口檢驗(yàn)，木條立即復(fù)燃。

（3） 反應(yīng)一段時(shí)間后，用鑷子取出硬錳礦石，用濾紙吸干表面的水，電吹風(fēng)吹干，冷卻后再次稱量，質(zhì)量仍然是3.2g。

（4） 將此稱量過(guò)的硬錳礦石再次投入到另一支盛有10mL體積分?jǐn)?shù)為15%的過(guò)氧化氫溶液中，觀察;反應(yīng)劇烈，同樣產(chǎn)生大量氣泡，溶液澄清透明，沒(méi)有白沫，將帶火星的木條放在試管口，木條立即復(fù)燃。

2.1.3 解釋及結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)前后硬錳礦石的質(zhì)量和性質(zhì)保持不變，因此硬錳礦石具有良好的催化活性，可以作為過(guò)氧化氫分解制備氧氣的催化劑，還能反復(fù)使用。

2.2 硬錳礦石用于啟普發(fā)生器催化過(guò)氧化氫分解制備氧氣實(shí)驗(yàn)

2.2.1 儀器和試劑

啟普發(fā)生器1套（帶導(dǎo)氣管）、鑷子、體積分?jǐn)?shù)為15%的過(guò)氧化氫溶液、顆粒狀硬錳礦石

2.2.2 操作步驟和現(xiàn)象

（1） 組裝啟普發(fā)生器。

（2） 關(guān)閉啟普發(fā)生器導(dǎo)氣管上的活塞，向球形漏斗口加水，靜置后啟普發(fā)生器漏斗里的水面高度維持不變，證明裝置氣密性良好。

（3） 倒掉水，將儀器橫放，把硬錳礦石顆粒由中部容器上口中加入，然后正放儀器，再將導(dǎo)氣管的活塞關(guān)閉。接著由環(huán)形漏斗口加入H2O2溶液，至浸沒(méi)容器中的固體顆粒，打開活塞會(huì)有氣泡冒出（開始排出的是空氣）。

（4） 使用時(shí)，打開導(dǎo)氣管活塞，觀察到H2O2溶液由球形漏斗流到底部容器，再上升到中部容器與硬錳礦石顆粒接觸發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量O2從導(dǎo)氣管放出，即可用排水法收集氣體備用。

（5） 不用時(shí)，關(guān)閉導(dǎo)氣管的活塞，溶液與硬錳礦石脫離接觸，反應(yīng)即自行停止。

2.2.3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖2。

2.2.4 解釋及結(jié)論

啟普發(fā)生器中加入潔凈的硬錳礦石小顆粒作為過(guò)氧化氫分解的催化劑，有利于固液分離，并可及時(shí)控制反應(yīng)的發(fā)生或停止。

3 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的意義

選用硬錳礦石顆粒代替二氧化錳粉末進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，有利于稱取反應(yīng)前后的質(zhì)量，建立催化劑定義的認(rèn)知模型;使用顆粒狀硬錳礦石作為催化劑，方便應(yīng)用于啟普發(fā)生器制備氧氣，且使用后可回收再利用，整個(gè)實(shí)驗(yàn)具有更直觀、簡(jiǎn)潔、方便、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。本探究的創(chuàng)新改進(jìn)，為教師提供了有效的教學(xué)手段和實(shí)驗(yàn)方案，使認(rèn)識(shí)催化劑和催化作用這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)迎刃而解，較好地落實(shí)了“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”的學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王麗麗， 吳暾艷， 張艷華， 譚宗俊. 過(guò)氧化氫催化分解制備氧氣的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2019， （6）： 73～75.

[2]信云霞， 張帆， 賈學(xué)五， 呂志果. 過(guò)氧化氫催化分解研究進(jìn)展[J]. 石化技術(shù)， 2017， （6）： 50～51.

[3]許亮亮， 陳懿， 姚禹， 閔凱文. 海藻酸鈉微球催化過(guò)氧化氫分解實(shí)驗(yàn)的研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （2）： 79～82.

[4]宋盼， 楊文遠(yuǎn). 過(guò)氧化氫催化分解制取氧氣實(shí)驗(yàn)的探究與改進(jìn)[J]. 教育教學(xué)論壇， 2013， （38）： 246～247.

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