探究过氧化氢制备氧气的最佳条件

07化四 20072401175 钟国莉

指导老师：罗秀玲 小组成员：杨慧君 叶素 肖玉婵 钟国莉 李思思

【实验目的】

①通过控制反应条件，包括催化剂的种类、过氧化氢的浓度和最佳催化剂的用量，从而探究用过氧化氢制备氧气的最佳条件；

②通过实验加深对催化剂功能的认识；

③通过收集分解产生的氧气，获得定量测定气体体积的技能；

④通过设计不同条件对实验结果的影响，曾强实验探究意识和探究技能。

【实验原理】

2H2O2 = 2H2O ＋ O2 催化剂是一种可以改变反应速率而本身不发生化学反应的物质，它的使用能够改变反应途径，降低反应的活化能。过氧化氢分解氧化剂主要是一些内部有形状不规则、互相贯通的孔道的颗粒，这些催化剂的比表面积较大，表面吉布斯自由能较大。过氧化氢本身不稳定其吉布斯自由能很大，因此加入催化剂后总能量越过能垒，分解加快。

氧气在水中的溶解度很小，所以可以用排水法来测定氧气的体积。

【实验仪器与试剂】 ①仪器

铁架台（试管夹），支试管，胶塞，导管，锥形瓶，药匙，量筒，台秤； ②试剂

过氧化氢溶液（5%、10%、15%、20%），二氧化锰，氧化铜，氧化铁，活性炭。

【实验装置】 水 催化剂

过氧化氢

【实验步骤】

（1）探究催化剂种类对过氧化氢分解速率的影响

①在支试管中先加入约10mL15%的过氧化氢，加入0.1g二氧化锰，迅速塞上胶塞，用排水法收集产生50mL氧气所用时间；

②在其他条件不变的情况下分别加入等质量的氧化铁、氧化铜、活性炭重复上述步骤。 ③实验记录表1： 催化剂种类 现象记录 二氧化锰 剧烈反应，产生大量气泡，放出大量热；反应开始5s制备生成了50mL氧气。 氧化铁 反应缓慢，有较多气泡产生，伴随放热；在反应开始的2min内只产生10mL氧气；再放置约10min，剧烈反应，产生大量气泡形成白雾充满整支试管。 氧化铁 反应较氧化铁作为催化剂时更缓慢，有气泡产生；在反应开始的前2min内没有收集到氧气；同样放置约10min，剧烈反应，现象与氧化铁作为催化剂时相同。 活性炭 反应最缓慢，只有少量气泡产生；在反应开始的前2min内没有收集到氧气。 ④实验分析： 通过这些平行实验得出,室温和同条件下催化剂的催化效果为：二氧化锰＞氧化铁≈氧化铜＞活性炭，二氧化锰的催化效果是最明显的。

微量金属(铁，铜，锰等)氧化物固体催化剂颗粒都为多孔结构，可作为过氧化氢分解反应的催化剂，探究得出氧化铁和氧化铜这两种催化剂的催化性能不如二氧化锰，这两个实验在反应初的分解速率较慢，由于反应放热，到后期温度升高，速率加快，催化效果与二氧化锰相当。

根据文献，活性炭作为过氧化氢分解催化剂时反应应该是很剧烈的。但在本实验中活性炭的催化作用没有体现，可能原因是活性炭暴露在空气中的时间太长失效了，因为活性炭易吸附临界温度高的气体，比如二氧化碳，若活性炭的表面吸附了二氧化碳，其催化能力就会丧失。

（2）探究过氧化氢溶液浓度对其分解速率的影响

①在支试管中加入0.1g二氧化锰和10mL5%过氧化氢溶液，塞上胶塞，用排水法收集50mL的氧气，记录所需时间；

②在其他条件不变的情况下分别加入3mL浓度为10%、15%、20%的过氧化氢溶液，重复上述步骤。

③实验记录表2： 过氧化氢浓度 现象记录 时间（s/50mL） 平均速率（r/mL/s） 5% 10% 15% 20% 反应较温和而且较快，产生气泡，放热。 56 0.9 50 1.0 反应剧烈难以控制，产生大量气泡，放出大量热。 11 4.5 10 5.0 ④实验分析：

通过这些平行实验得出,室温、二氧化锰作催化剂和同条件下不同浓度的过氧化氢的分解速率大小为：20%＞15%＞10%＞5% 。过氧化氢的浓度越高，分解速率越快。

（3）探究催化剂的用量对其分解速率的影响

①在支试管中加入0.1g二氧化锰和10mL5%过氧化氢溶液，塞上胶塞，用排水法收集50mL的氧气，记录所需时间；

②在其他条件不变的情况下分别加入0.2g、0.3g最佳催化剂，重复上述步骤。 ③实验记录表3： 最佳催化剂用量（g） 现象记录 0.1 0.2 0.3 反应较温和而且反应较温和而且反应剧烈难以控较快，产生气泡，更快，产生气泡，制，产生大量气放热。 放热。 泡，放出大量热。 22 2.7 12 4.2 10 5.0 时间（s/50mL） 平均速率（r/mL/s） ④实验分析： 通过这些平行实验得出,室温、二氧化锰作催化剂、过氧化氢浓度为5%和同条件下催化剂的用量对分解速率的影响为：0.3＞0.2＞0.1。即催化剂的用量越多，过氧化氢的分解速率越快。

【实验总结与反思】

（1）总结：

本实验为探究影响过氧化氢分解的因素，我们主要探究了室温条件下催化剂种类及其用量、过氧化氢浓度对分解速率的影响。我们探究得出的结论是：对于过氧化氢的分解反应，二氧化锰的催化效果最为明显，在二氧化锰作催化剂时，过氧化氢浓度越大、催化剂用量越大，其分解速率越大。

（2）反思：

①我们设计本实验初衷是为了探究过氧化氢分解的最优条件，但由于实验仪器及时间，经过几次失败实验后，我们最终确定为探究影响过氧化氢分解的因素。

②原本设计中催化剂的用量均在0.02g上下，但由于实验室只有台秤（精确到0.1g），只能将所有探究实验中的各试剂用量增加，但实验现象及结果还是很不理想。

③探究过程中相同实验条件下，现象重复不好。比如，同样是10mL15%的过氧化氢在0.1g二氧化锰作催化剂时分解得到50mL氧气，探究（一）中用时5s，探究（二）中用时11s。分析其原因可能有：a、实验操作人员不同造成误差，探究（一）是由叶素和肖玉婵同学完成的，而探究（二）、（三）是有我和杨慧君同学完成的；b、催化剂加入时有部分会粘在试管壁上，则每次加入催化剂的量并不相同造成误差，从探究（三）可见，催化剂用量的多少对过氧化氢分解速率还是有较大影响的；c、读数造成的误差，因为探究（一）中用来量水的是50mL的量筒，而探究（二）、（三）中用的是通过校正的烧杯。

④探究（三）中得出的结论是，催化剂用量越大，过氧化氢分解速率越大。而事实上催化剂的用量有一个极限值，甚至用量过多可能会出现催化剂的中毒现象。但是我们的探究实验没有得出这个结果，主要还是因为设计探究条件的不足。