二氧化錳的用量對(duì)雙氧水分解反應(yīng)的影響初探

嚴(yán)西平+陳學(xué)東+錢蕙

摘要：運(yùn)用壓強(qiáng)傳感器技術(shù)測(cè)定了二氧化錳的用量與雙氧水催化反應(yīng)速率的關(guān)系。結(jié)果表明，能快速催化的二氧化錳與過氧化氫的質(zhì)量比約為1：3，現(xiàn)行教材用雙氧水分解制取氧氣的實(shí)驗(yàn)中二氧化錳的用量過量太多。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有助于加深對(duì)催化劑和催化作用的理解，同時(shí)可以增強(qiáng)節(jié)約藥品的意識(shí)。

關(guān)鍵詞：二氧化錳；雙氧水分解；壓強(qiáng)傳感器

文章編號(hào)：1005–6629（2015）1–0060–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問題的提出

在現(xiàn)行的初中教材中，二氧化錳催化分解雙氧水是一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)。我們教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，無論是教師的演示還是學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)，二氧化錳的用量都是不講究的，似乎越多越好。比如當(dāng)筆者向有些學(xué)生提問，做試管實(shí)驗(yàn)時(shí)為什么要加一藥匙的二氧化錳？得到的回答竟是“多加一點(diǎn)，反應(yīng)得快，帶火星的木條復(fù)燃就明顯”。很顯然，這些學(xué)生沒有真正理解二氧化錳的催化作用，心理暗示把它當(dāng)做反應(yīng)物之一了。這是學(xué)生的錯(cuò)嗎？翻閱滬教版教材上冊(cè)P36[1]有“把稀的雙氧水從分液漏斗中慢慢加入裝有少量二氧化錳粉末的錐形瓶中”的描述，但是這個(gè)少量究竟是多少克？沒有交代。再仔細(xì)閱讀裝置圖2-9（見圖1），發(fā)現(xiàn)所加的二氧化錳并不少，到底加多少藥匙才能達(dá)到圖示量的效果呢？我們做了空白試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)至少要加4藥匙的二氧化錳才能蓋滿250mL錐形瓶的底部。用電子天平稱量1藥匙的二氧化錳約1.8g，則4藥匙的二氧化錳約7.2g！筆者還查閱了大學(xué)的無機(jī)化學(xué)教材[2]，也沒有找到關(guān)于催化劑用量的內(nèi)容，看來對(duì)這個(gè)反應(yīng)中二氧化錳用量的研究還是空白。筆者也問詢過其他老師究竟加多少合適？回答都說心里沒底，只是憑感覺，一般在錐形瓶中加1藥匙的量。

考慮到氣體的壓強(qiáng)是可以用壓強(qiáng)傳感器及時(shí)測(cè)得的，而且壓強(qiáng)的變化也能間接地反映出反應(yīng)的速率和生成氣體量的變化。這類探究傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法完成，但是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以做到。于是筆者設(shè)計(jì)了如圖2所示的裝置，測(cè)量氣體壓強(qiáng)的變化，通過壓強(qiáng)的變化實(shí)時(shí)觀察反應(yīng)的速率（不是傳統(tǒng)意義上的平均速率），以便更全面地了解催化作用，更深入地理解催化劑的概念，更準(zhǔn)確地掌握二氧化錳的用量。

2 儀器與藥品

2.1 儀器

抽濾瓶、鐵架臺(tái)（附鐵夾）、乳膠管、細(xì)鐵絲（用于捆扎乳膠管）、10mL量筒、滴管等；電子天平（常熟市金羊砝碼儀器有限公司）、江蘇正方體數(shù)字采集器、壓強(qiáng)傳感器、電腦等

2.2 藥品

二氧化錳（AR，上海山浦化工有限公司）、雙氧水（AR，無錫市展望化工試劑有限公司）（使用時(shí)稀釋至3%）

3 實(shí)驗(yàn)過程

（1）固定雙氧水的用量探究能使其快速催化的二氧化錳的最小用量。每次固定取用雙氧水（3%）8mL，在圖2的裝置中分別和不同質(zhì)量的二氧化錳混合，當(dāng)藥品就緒后，塞緊橡皮塞，啟動(dòng)傳感器，同時(shí)平放抽濾瓶并不斷振蕩，記錄容器內(nèi)壓強(qiáng)的變化于圖3中。

（2）固定二氧化錳的用量探究能快速催化的雙氧水的量。每次固定取用0.1g二氧化錳，在圖2的裝置中分別和不同體積的3%的雙氧水混合，當(dāng)藥品就緒后，塞緊橡皮塞，啟動(dòng)傳感器，同時(shí)平放抽濾瓶并不斷振蕩，記錄容器內(nèi)壓強(qiáng)的變化于圖4中。

4 結(jié)果與討論

4.1 反應(yīng)速率與二氧化錳的用量

從圖3中可以看出，當(dāng)二氧化錳的用量增加到0.08g后，曲線的斜率（即表征催化反應(yīng)的速率）基本上就一致了。因此可以認(rèn)為在這樣的實(shí)驗(yàn)條件下，能快速催化的二氧化錳的最小用量與過氧化氫的質(zhì)量比約為0.08g：（3%×8g）=1：3。（因?yàn)槿芤狠^稀，雙氧水的密度可以看做1 g/mL）

4.2 二氧化錳能催化的雙氧水的量

從圖4中可以看出，當(dāng)雙氧水的體積由2mL增加到10mL時(shí)，各曲線的斜率基本上一致，這說明0.1g二氧化錳至少能快速催化0.3g的過氧化氫。（需要說明的是超過10mL的雙氧水在此條件下沒有繼續(xù)實(shí)驗(yàn)下去，因?yàn)樾≡嚬艿娜萘烤褪?0mL）

4.3 氧氣的產(chǎn)量與二氧化錳量的關(guān)系

有趣的是，圖3、圖4還不約而同地驗(yàn)證了一個(gè)結(jié)論：二氧化錳的量與氧氣的產(chǎn)量無關(guān)。由于在等溫條件下（溶液稀，用量少，反應(yīng)熱可以忽略不計(jì)），氣體體積與壓強(qiáng)呈正比，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差的范圍內(nèi)討論，可以認(rèn)定圖3中，氧氣的產(chǎn)量基本上是一致的（轉(zhuǎn)折后平緩線基本上集中在一起）；而在圖4中，可以清楚地看出，氧氣的產(chǎn)量基本上與雙氧水的用量呈正比。

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定性解釋

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[3]，二氧化錳的催化效率主要由其表面積決定的。以某種晶型的二氧化錳為例，比表面積是48m2/g，0.08g的二氧化錳的表面積就有3.84m2，可以同時(shí)吸附的過氧化氫分子的數(shù)目相當(dāng)多，也就是同時(shí)可催化很多過氧化氫分子分解，基本上表現(xiàn)出一致的反應(yīng)速率。只有當(dāng)二氧化錳用量很小時(shí)，才不能同時(shí)吸附很多的過氧化氫分子，造成反應(yīng)速率變慢。

4.5 實(shí)驗(yàn)操作誤差的討論

本實(shí)驗(yàn)所用的玻璃儀器的精密度有限，二氧化錳的稱量和倒入、雙氧水的量取和傾倒、塞橡皮塞松與緊的程度、振蕩的時(shí)間和力度等對(duì)壓強(qiáng)的變化有一些影響，加上初始?jí)簭?qiáng)的校準(zhǔn)不能完全一致，實(shí)驗(yàn)的精確度有待提高。

5 實(shí)驗(yàn)收獲

一是無心插柳柳成蔭。原本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的初始目的并不是得出“氧氣的產(chǎn)量與二氧化錳的量無關(guān)”這個(gè)結(jié)論，可沒曾想，圖3、4中兩條曲線的走勢(shì)都印證了這份驚喜。這是從催化劑的概念中得出的一個(gè)很重要的推論，以前教師都講過，學(xué)生也都做過相應(yīng)的練習(xí)，但是從來沒有看到真實(shí)的實(shí)驗(yàn)圖像，心中始終存有些許的遺憾。

二是柳暗花明又一村。從教多年，我們也早就關(guān)注過這個(gè)教學(xué)盲區(qū)，雖然“產(chǎn)生氧氣的量與催化劑二氧化錳的量無關(guān)”這個(gè)結(jié)論很美麗，但是由于沒有實(shí)驗(yàn)的支撐，講授時(shí)總是底氣不足。數(shù)字實(shí)驗(yàn)為化學(xué)教學(xué)打開了一片新天地，重視信息技術(shù)的運(yùn)用是所有化學(xué)教師應(yīng)該擔(dān)當(dāng)?shù)穆氊?zé)。如今能通過實(shí)驗(yàn)得出確切的結(jié)論，這比學(xué)生僅從我們講授中獲得知識(shí)都開心！因?yàn)槲覀冔`行了新課改“引領(lǐng)者”的承諾！

三是墻內(nèi)開花墻外香。我們開發(fā)了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，而且運(yùn)用于教學(xué)中并不難，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)都保存在電腦中，再用時(shí)可以回放，學(xué)生從中能看到老師的用心，能感悟到過去使用二氧化錳的確存在很大的浪費(fèi)（注：本文開始按照教材插圖的示意，假設(shè)某演示實(shí)驗(yàn)用了7.2g二氧化錳，按照本文實(shí)驗(yàn)推論，至少可以快速催化分解21.6g過氧化氫，即6%的雙氧水360mL！顯然這樣的使用量極不合理了），對(duì)環(huán)境也是一種污染，也會(huì)自覺養(yǎng)成節(jié)約藥品的好習(xí)慣。

參考文獻(xiàn)：

[1]中學(xué)化學(xué)國家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)）[M].上海：上海教育出版社，2012：36.

[2]北京師范大學(xué)等無機(jī)化學(xué)教研室編.無機(jī)化學(xué)（上冊(cè)）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]夏熙.二氧化錳的物理、化學(xué)性質(zhì)與其電化學(xué)活性的相關(guān)（3）[J].電池，2006，36（2）：118～120.