用氧氣傳感器探究催化劑對雙氧水分解速率的影響

湖北省宜昌市夷陵中學(443000) 成昌華

數字化實驗是一種信息化教學方法，它是利用多媒體設備、數據采集器及傳感器、通用軟件等，將各種信號通過計算機軟件分析處理，以圖像、圖表等直觀的形式呈現出來。利用傳感器對一些微小的和連續變化的數據進行測定，從而使得高中的一些定性實驗定量化，定量實驗可視化，讓學生對一些高中化學實驗有更加深刻的理解。催化劑是影響化學反應速率的外界條件之一，選用適當的催化劑是改變反應速率常用的方法之一。催化劑能改變反應的路徑，降低使反應發生所需的活化能，反應速率增大。

教材中比較二氧化錳、氯化鐵溶液和硫酸銅溶液對過氧化氫分解的催化效果，是以產生氣泡的快慢比較反應速率的大小，屬于典型的定性實驗。本實驗使用三個氧氣傳感器同時測定實驗過程中產生的氧氣濃度隨時間變化關系，并將實驗數據實時在電腦上以曲線顯示出來，通過比較曲線各點切線斜率反映化學反應進行的快慢。將實驗結果由定性化描述轉化為定量化呈現，既直觀又能定量計算化學反應速率，將定性實驗轉變為定量實驗，對催化劑影響化學反應速率的原理理解更深刻。

1 實驗原理

本實驗采用美國威尼爾(Vernier)O2-BTA氧氣濃度傳感器(見圖1)，傳感器自帶250 mL氣體取樣瓶。此傳感器使用原電池來測量氧氣的濃度。傳感器含有浸在電解溶液的一個鉛正極和一個金負極。當氧分子進入電池時，它們會在負極處被電化反應還原。電化反應所產生的電流是與電極之間的氧氣濃度成正例的。此電流經過電阻而產生一個輸出電壓，輸出電壓通過數據采集器處理并讀取。該傳感器氧氣測量范圍：0%～27%；精度(標準大氣壓下)：氧氣體積±1%。

圖1 威尼爾O2-BTA氧氣濃度傳感器實物照片

2 實驗過程

2.1 實驗器材

氧氣濃度傳感器(自帶3個250 mL氣體取樣瓶)、數據采集器(數據采集軟件均為Vernier公司生產)、筆記本電腦(安裝Logger Pro軟件)、50 mL量筒(3支)、10 mL量筒(3支)、500 mL容量瓶、燒杯、膠頭滴管、鑰匙、電子天平、稱量紙、1%H2O2、二氧化錳、0.1 mol/L FeCl3溶液、0.1 mol/L CuSO4溶液、水(試劑均為分析純，水為處理過的超純水)。

2.2 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示。

圖2 實驗裝置實物圖

本實驗由Vernier 氧氣濃度傳感器、數據采集器、筆記本電腦及配套軟件組成。本實驗能將氧氣濃度轉化為可監測的信號，并通過軟件處理后以圖像形式展現，從而幫助學生增強對化學原理的理解和認識。

2.3 實驗步驟

實驗前將3個氧氣傳感器和3個250 mL氣體取樣瓶分別編號為1、2、3并一一對應，以防弄混，按實驗裝置圖依次連接氧氣傳感器、數據采集器和電腦，設置氧氣傳感器采樣頻率為每秒一次，實驗時間為300 s。向氣體取樣瓶中分別加入50 mL 1%H2O2溶液，點擊數據采集按鈕，再依次加入催化劑，迅速依次插入3個傳感器，觀察瓶內反應現象及電腦上的數據變化。

3 實驗結果

3.1 催化劑種類對雙氧水分解速率的影響

向3個氣體取樣瓶中加入50 mL 1%H2O2溶液，向1號氣體取樣瓶加入0.150 g MnO2和10 mL蒸餾水，向2號氣體取樣瓶中加入10 mL 0.1 mol/L FeCl3溶液，向3號氣體取樣瓶中加入10 mL 0.1 mol/L CuSO4溶液，迅速插入3個氧氣傳感器，點擊數據采集按鈕，觀察瓶內反應現象及數據變化。

從圖3所示變化趨勢可以直接看出，在其他因素相同的條件下，二氧化錳的催化效果最好，氯化鐵溶液次之。在本實驗條件下，通過實驗現象和數據均未看到硫酸銅溶液有催化作用。因此，通過三個氧氣濃度傳感器同時完成對比實驗，實驗操作簡便，實驗現象對比明顯。點擊軟件上“正切”按鈕，將光標移到曲線上，可顯示各點斜率，從而獲取每個時刻的瞬時速率，使實驗由定性化描述轉化為定量化描述。

圖3 催化劑種類對雙氧水分解速率影響的對比圖

3.2 催化劑二氧化錳的用量對雙氧水分解速率的影響

實驗已證明二氧化錳是催化分解雙氧水效果最好的一種催化劑，實驗室也常用二氧化錳來催化分解雙氧水，高中教材上很少涉及到二氧化錳的用量對反應速率的影響研究。催化劑的用量是否會影響其催化效果呢？下面，筆者用實驗加以驗證。按照實驗步驟連接好儀器，分別向3個氣體取樣瓶中加入50 mL 1%H2O2溶液，同時向3個氣體取樣瓶中加入二氧化錳粉末，向1號氣體取樣瓶加入0.150 g MnO2，2號氣體取樣瓶中加入0.300 g MnO2、3號氣體取樣瓶中加入0.500 g MnO2，迅速插入3個傳感器，點擊數據采集按鈕，觀察瓶內反應現象及數據變化。

經過實驗對比發現，二氧化錳的用量對雙氧水分解有顯著影響(見圖4)，特別是當二氧化錳的用量為0.500 g時，反應速率迅速增快并達到氧氣濃度傳感器的最大量程，因此在雙氧水濃度不變的情況下，不能再增大二氧化錳的用量。二氧化錳的用量越多，雙氧水分解的速率越快，這主要是由于增大了二氧化錳與雙氧水的接觸面積而引起的。因此，在實驗室制氧氣時為了獲得穩定的氧氣氣流時應該控制好雙氧水和二氧化錳的用量。

圖4 催化劑二氧化錳的用量對雙氧水分解速率影響的對比圖

4 結語

通過實驗可以看出催化劑的種類和催化劑的用量對雙氧水的分解都有影響，二氧化錳對雙氧水的分解反應催化效率最高，二氧化錳的用量也影響該反應的速率。本實驗采用氧氣傳感器開展實驗探究，實驗操作簡單，實驗現象明顯，可以直接將實驗結果投影出來，方便所有學生觀察。基于傳感器的化學實驗可以激發學生的學習興趣，培養學生的探究能力和創新思維，節省實驗數據處理時間，讓學生有充分的時間和空間開展實驗探究。使用傳感器的數字化實驗是傳統化學實驗的有效補充，同時也為化學實驗研究拓展了新的領域。