促进H2O2分解的各类催化剂的实验探究

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1、促动h2o2分解的各类催化剂的实验探究一、实验目的 我们知道，往过氧化氢中加入二氧化锰，其分解速率会大大提升，这主要是催化剂（二氧化锰）的功劳。那么，除了二氧化锰外，还有什么物质也能起到催 化作用呢，不同催化剂的催化原理是否相同呢，其催化作用对实验环境有何要求 呢？为此，我们利用手持技术设计了相关实验，从定量的角度探讨了不同类型和 浓度的催化剂对过氧化氢反应速率快慢的影响，以揭示促动过氧化氢分解的催化 剂的神秘面纱。，温度、溶液浓度、催化二、实验原理H2O2分解的表观反应为：2H2O2 f 2H2O + O2剂等对这个分解过程均有不同水准的影响，本实验中着重分析催化剂这个因素的 影响。h2o2

2、分解的催化剂有两类，一类是我们所熟悉无机催化剂（如二氧化锰）, 另一类就是生物酶（过氧化氢酶）。H2O2 同时具有氧化性和还原性的特点，所以在有可变价态金属（如二氧化锰、氧化铜、Fe3+、Fe2+）存有的情况下，过氧化氢可交替与金属发生氧化反应 和还原反应，最终结果为过氧化氢被催化生成h2o和o2,而金属离子不发生变 化。例如：MnO2催化过氧化氢：2H2O=H2O2+2H+2eE=+1.77VMn2+2H2O=MnO2+4H+2e E=+1.23 VH2O2=O2+2H+2eE0=+0.69V(QH2OMnO2lMn2+ MnO2MnO2被H2O2还原成Mn2+，同时H2O2被氧化产生O2，

3、但Mn2+又可被 氧化为MnO2,同时H2O2被还原成H2O,因而在反应前后似乎没有什么变化, 如此往复循环，使反应得以继续实行。另一方面，生物体中也存有催化过氧化氢分解的催化剂：过氧化氢酶。 过氧化氢酶是分子量约25万的血红素铁蛋白，分子结构中包含四个Fe （III） 原卟啉基团。血红素中心的3价铁与卟啉的4个吡咯环上的N原子形成4个 配位键，与血红素平面的近侧（朝向四聚体核心的一侧）Tyr的酚羟基形成第5 个配位键。过氧化氢酶广泛存有于生物组织中，具有催化分解h2o2为h2o 和o2的功能。很多植物如蓖麻子，番茄，菠菜，玉米，棉花等中存有着不 同数目的CAT同工酶，少的有2种，多的达数10

4、种。酶催化反应的机理为：反应中酶的血红素卟啉环（Por ）和铁先被H2O2氧化，生成Por + - Fe W = O （大亚基酶）或Por - FeW -OH （小亚基酶)，称为化合物I (Cpd I )。接着这个处于氧化状态的酶把另一分子h2o2氧化， 产生原来的酶， 水和 O2。H2O2+H2O2_ 一铁卟啉配合物卜ch o + Oh2o2分解的过程中有氧气生成，实验中能够通过检测放出气体的速率来判 断反应实行的快慢。因为当h2o2分解反应在定容密闭容器中实行时，随着反应 的实行，气体浓度增加，容器内压强随之增大。使用压强传感器测量并记录压强 随时间变化的数据，从而能够绘制压强时间的曲线，

5、通过线性拟合后得到的直 线的斜率能够判断反应速率的快慢。曲线斜率越大，反应速率越快，反之，越慢。三、实验仪器及药品探世界万能数据采集器、气压传感器(0700kpa)、电子天平、10mL移液 管、磁力搅拌器、塑料注射器(5mL)、锥形瓶(250mL)、橡皮塞、量筒、研钵、 100mL 烧杯30H2O2溶液、蒸馏水、MnO2粉末、CuO粉末、黄瓜，青菜，生菜，苋菜, 西红柿，土豆，牛奶，猪肝，苹果、酱油、白醋四、实验装置图磁力搅拌器气压传感器数据采集器lOOmL-锥形，瓶0O0五、实验步骤(1) 如上图连接好仪器，用真空硅脂密封好橡皮塞及打孔处，确保其气 密性；(2) 取10mL30%H202溶液

6、与50mL蒸馏水混合配制成约5%的电02溶 液，密封装好待用；( 3)分别将黄瓜、青菜、菠菜等榨成汁，密封装好备用；(4) 开启和设置数据采集器：端口1 连接气压传感器；数据采集速率： 1/s；采集总量：持续；显示模式：table；(5) 根据研究需要将不同物质放入锥形瓶中，再加入4mL蒸馏水和搅 拌磁子，将一注射器中的空气排空，另一注射器吸入2mL配好的H2O2溶液， 安装备用；(6) 开启磁力搅拌器，用中速采集，同时开启数据采集器，待读数稳定 后，用另一注射器从锥形瓶中抽出2mL气体，同时注入2mLH2O2溶液，采 集数据。待反应完全， 数据稳定后，停止实验；(7) 将采集到的数据导入电脑

7、，得到反应前后压力随时间变化曲线图。 取开始反应到气压基本不变一段的数据实行线性拟合处理，可求得分解反应 的动力学方程。六、实验数据与结果分析(1)不同质的MnO2粉末作为催化剂2依次取MnO2粉末0.05g、0.08g、O.lg，按上述实验步骤实行实验。反 应趋势和动力学方程分别见图 1 和表 1 。600图 1 不同量的 MnO2 对 H2O2 分解速率的影响表1 不同量的MnO“催化HQ“溶液分解反应的动力学方程催化剂2 2 2反应动力学方程0.02gMnO2p=2.26t+102573.210.05gMnO2p=4.65t+102172.640.08gMnO2p=5.74t+10321

8、9.110.1gMnO2p=9.35t+103535.69比较图1中各曲线，结合反应速率常数，表明随着催化剂MnO2的量的持续增大，产生氧气的速率也持续的加快，即加快了过氧化氢溶液的分解。( 2)生活中的物质作为催化剂4滴生菜汁4滴苋菜汁4滴猪肝4滴西红柿汁4滴土豆汁4滴牛奶4滴蚕豆汁图2生活中的不同物质对H2O2分解速率的影响表2生活中的不同物质催化H2O2溶液分解反应的动力学方程I22催化剂(4滴)反应动力学方程猪肝汁p=214.92t+103396.73土豆汁p=70.43t+100871.50青菜汁p=17.98+101201.089苋菜汁p=9.55t+102839.55蚕豆汁p=8

9、.71t+102575.76生菜汁p=4.52+102335.25西红柿汁p=1.26t+101016.69牛奶p=0.23t+101559.67实验结果表明猪肝、土豆汁、生菜汁、青菜汁、苋菜汁、蚕豆汁、西红 柿汁作催化剂时均可催化H2O2的分解，而牛奶几乎没有催化效果。结合图2 和表2能够看出不同的生物体汁液对H2O2溶液的催化效果不同。因为起作 用的主要是过氧化氢酶，从中能够认为不同生物体中所含过氧化氢酶的量不 尽相同且差别较大。为了进一步验证这个设想，生菜汁为例，对其加热前后 （生菜汁加热一段时间后冷却到室温）的催化作用实行对比实验。其反应情 况和动力学方程可见图 3 和表 3。1051

10、04.5104103.5103102.5102100200t/s8滴加热后的生菜汁8滴生菜汁300400图 3 催化剂加热前后对 H2O2 分解速率的影响表3催化剂加热前后催化H2O2溶液分解反应的动力学方程催化剂（8滴）2 2反应动力学方程生菜汁p=9.81t+102754.028加热后生菜汁p=0.85t+012493.53实验结果表明：生菜汁加热后催化效果大幅将低，说明过氧化氢酶失活 使其丧失催化活性，几乎不能催化h2o2分解。由此验证了原先的假设，即 反应速率与不同催化剂中所含的过氧化氢酶的量相关。（3 ）食品调料对H2O2分解的催化分析图 4 各种食品调料对 H2O2 分解速率的影响

11、表4各种食品调料催化H2O2溶液分解反应的动力学方程催化剂（8滴）反应动力学方程青葱汁p=4.23t+102648.77生姜汁p=3.31t+102684.93辣椒汁p=3.22t+102665.15蒜头汁p=2.42t+102328.74酱油p=0.43t+102576.65白醋p=0.12t+102660.65实验结果表明：青葱汁、辣椒汁、蒜头汁、生姜汁作催化剂时均可催化h2o2 的分解，催化速率：青葱汁生姜汁辣椒汁蒜头汁，酱油、白醋几乎没有催化 作用。其原因也在于几种作料中所含的过氧化氢酶的量不同。七、实验创新之处（1）实验装置方面的改进。本实验将学生熟悉的过氧化氢分解实验与手持技术相结

12、合，不但有利于提升学生的实验兴趣，而且定量化、清晰化、直观化和 可控化的实验过程有利于学生更深层次的理解该反应的本质。学生在掌握化学知 识的同时，也学会了探究化学世界奥秘的一种更为有效的途径和方法。（2）实验设计方面的创新。从学生极为熟悉的二氧化锰作为催化剂入手，引出生活中常见物质作为催化剂并实行一系列相关实验探究。知识的有效性在于 它能否应用到实际情况生活中的一些详细问题中。本实验中增加的食品调料这部 分物质对h2o2分解速率的影响，这部分内容旨在协助学生除了学会利用生活的 物质实行科学研究，还能用研究的结果解释和解决生活中的一些详细问题，同时 更重要的是启发学生注重生命健康。双氧水除了作杀

13、菌、漂白之用外，国家食品 标准也允许将h2o2用在食品加工业中，尤其在豆类加工制品（例干丝等）及面 制品等食物中。残留在食物中的h2o2对人的健康是有害的，但日常饮食中难免 会摄取一些含有过氧化氢的食物，那么实验中比较的几种物质所含过氧化氢酶的 多少能够给生活中的健康饮食提供一些感性理解。同时结合过氧化氢酶的特点， 能够比较东西方饮食文化习惯的差异等问题，真正的将化学与生活相联系，学以 致用。（3 ）学科知识之间的联系。将过氧化氢酶也能催化H2o2分解这个知识点 融入其中，让学生比较各种含有过氧化氢酶的瓜果蔬菜催化h2o2分解的速率快 慢，来体会生物与化学的共通之处，从而增强了多学科之间的联系

14、，有利于学生 知识之间的相互融会贯通。（ 4）研究性学习课题的丰富。 本实验来源于书本中学生所熟悉的知识，但 同时在这个基础上加以拓展研究，能够作为研究性学习的课题让学生展开实验探 究。将先进的信息技术和身边熟悉的物质与已有的化学学科知识较好地融为一 体，在提升学生学习化学的兴趣的同时，让学生领悟实验设计的方法。通过催化 速率的比较得出各种物质所含的过氧化氢酶的多少，把无机催化剂和生物酶实行 对比和分析的方法等；另外，还可指点学有余力的学生进一步深入去讨论催化的 反应机理，充分激发学生的求知欲，引领学生对科学实行更深入的探究。所以， 该实验设计能够满足不同层次的学生的需要，老师能够结合学生情况

15、对学生作出 不同的要求，让学生在自己现有的水平都能有所发展。主要参考文献：1. 王磊 魏锐 范林. 传感技术. 北京：北京师范大学出版社， 20062. 钱扬义. 手持技术在理科实验中的应用研究. 北京：高等教育出版社， 20033. 华彤文 杨骏英 陈景祖 刘淑珍. 普通化学原理（第二版）. 北京：北京大学出 版社， 20054. 傅献彩 沈文霞 姚天杨. 物理化学（第四版 下册）. 北京：高等教育出版社， 20045. 朱伟长巢亚军.乙二醇二乙醚二胺四乙酸铁（III）催化分解过氧化氢反应机 理研究. 华东冶金学院学报， 1998， 15（1）6. 梅付名王娟.铁（III）EDTA催化分解过氧化氢反应动力学研究.湖北大学学 报（自然科学版）， 2000， 22（ 4）7. 吴洪达 黄映恒. 过氧化氢的分解反应. 河池师专学报， 2002（2）8. 钱扬义杜永峰李佳肖常磊.掌上实验室（Lab in Hand）的特点及其功能. 电化教育研究， 2003（10）9. 聂耀光. 关于过氧化氢化学性质的探讨. 四川职业技术学院学报， 2004（2）10. 王伟 孙谧 刘万顺. 单功能过氧化氢酶的高级结构. 中国生物化学与分子生 物学报， 2008， 24（ 3）