硬錳礦石催化過氧化氫制備氧氣的實驗探究

夏九云 劉傳友 毛思哲 曹飛

摘要： 人教版初中教材中“二氧化錳催化過氧化氫分解的探究”實驗中存在催化劑質量不易保證，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，驗證催化劑質量在反應前后保持不變;另將硬錳礦石應用于啟普發(fā)生器制備氧氣，能夠很好地控制反應發(fā)生或停止。整個實驗催化劑可再回收利用，具有更精確、簡便、環(huán)保等優(yōu)點。

關鍵詞： 硬錳礦石; 催化劑; 過氧化氫; 氧氣制備; 實驗探究

文章編號： 10056629（2020）05007302

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

目前，關于過氧化氫分解實驗選用不同催化劑的方案有很多，如王麗麗等[1]對二氧化錳粉末轉化成顆粒狀進行系列研究與設計。信云霞等[2]總結負載型金屬、過渡金屬氧化物以及非金屬催化劑對雙氧水分解反應的催化效果以及影響因素。許亮亮團隊[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代替二氧化錳。而關于利用啟普發(fā)生器制取氧氣的研究主要是通過固定二氧化錳粉末來達到控制反應的發(fā)生和停止[5～7]。

1 問題的提出

教材中過氧化氫分解制備氧氣的實驗是使用粉末狀二氧化錳，通過探究來認知催化劑的含義。實際教學中要證明反應前后催化劑質量保持不變，整個過程需進行過濾、洗滌、干燥、稱量等系列操作，課堂上很難一氣呵成。同時二氧化錳黑色粉末對氣泡觀察有干擾，實驗現(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速率過快，不利于控制反應的進行，且回收再循環(huán)使用也不方便。

基于以上存在的問題需對該實驗作進一步探究和改進。通過實驗發(fā)現(xiàn)硬錳礦石對該反應也有良好的催化作用，能較順利地驗證催化劑的定義及其形成過程，有利于初三學生直觀正確地理解催化劑含義，深入建立和認知催化劑概念模型。將硬錳礦石應用于啟普發(fā)生器制取氧氣，使催化劑可以重復使用。

2 實驗探究

2.1 硬錳礦石對過氧化氫分解的催化活性試驗

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： 體積分數(shù)為15%的過氧化氫溶液、塊狀硬錳礦石（天津朝陽中興礦業(yè)公司，條痕微褐黑色至黑色的結晶固體，質硬，脆?；瘜W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。礦石大顆粒直徑5～7cm，表面夾雜干黃泥等雜質，需要反復浸泡，清洗，干燥，敲打成小顆粒狀用于實驗。實驗后形狀不改變，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體積分數(shù)為15%的過氧化氫溶液，用帶火星的木條插入到試管中檢驗，都不復燃。

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

（3） 反應一段時間后，用鑷子取出硬錳礦石，用濾紙吸干表面的水，電吹風吹干，冷卻后再次稱量，質量仍然是3.2g。

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

2.1.3 解釋及結論

通過實驗發(fā)現(xiàn)，反應前后硬錳礦石的質量和性質保持不變，因此硬錳礦石具有良好的催化活性，可以作為過氧化氫分解制備氧氣的催化劑，還能反復使用。

2.2 硬錳礦石用于啟普發(fā)生器催化過氧化氫分解制備氧氣實驗

2.2.1 儀器和試劑

啟普發(fā)生器1套（帶導氣管）、鑷子、體積分數(shù)為15%的過氧化氫溶液、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） 關閉啟普發(fā)生器導氣管上的活塞，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，再將導氣管的活塞關閉。接著由環(huán)形漏斗口加入H2O2溶液，至浸沒容器中的固體顆粒，打開活塞會有氣泡冒出（開始排出的是空氣）。

（4） 使用時，打開導氣管活塞，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，產生大量O2從導氣管放出，即可用排水法收集氣體備用。

（5） 不用時，關閉導氣管的活塞，溶液與硬錳礦石脫離接觸，反應即自行停止。

2.2.3 實驗裝置示意圖

實驗裝置示意圖見圖2。

2.2.4 解釋及結論

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

3 實驗創(chuàng)新的意義

選用硬錳礦石顆粒代替二氧化錳粉末進行實驗，有利于稱取反應前后的質量，建立催化劑定義的認知模型;使用顆粒狀硬錳礦石作為催化劑，方便應用于啟普發(fā)生器制備氧氣，且使用后可回收再利用，整個實驗具有更直觀、簡潔、方便、環(huán)保等優(yōu)點。本探究的創(chuàng)新改進，為教師提供了有效的教學手段和實驗方案，使認識催化劑和催化作用這個教學難點迎刃而解，較好地落實了“科學探究與創(chuàng)新意識”的學科素養(yǎng)培養(yǎng)。

參考文獻：

[1]王麗麗， 吳暾艷， 張艷華， 譚宗俊. 過氧化氫催化分解制備氧氣的實驗改進研究[J]. 化學教學， 2019， （6）： 73～75.

[2]信云霞， 張帆， 賈學五， 呂志果. 過氧化氫催化分解研究進展[J]. 石化技術， 2017， （6）： 50～51.

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

[4]宋盼， 楊文遠. 過氧化氫催化分解制取氧氣實驗的探究與改進[J]. 教育教學論壇， 2013， （38）： 246～247.

[5]黃廷麗. 自制小型啟普發(fā)生器制氧氣[J]. 實驗教學與儀器， 2016， （S2）： 71～71.

[6]江華林. 用啟普發(fā)生器制氧氣[J]. 中小學實驗與裝備， 1999， （1）： 21.

[7]雋桂才. 用啟普發(fā)生器制取氧氣[J]. 化學教學， 1989， （5）： 26.