过氧化氢催化分解制取氧气影响因素探讨

过氧化氢催化分解制取氧气影响因素探讨1催化剂种类及其状态、用量的影响（1）用表面积为25cm2的瓷片（用规格统一的瓷质马赛克）4片分别蘸01molL的AgNO3、Fe2（SO4）3、CuSO4、KMnO4溶液在酒精灯焰上灼烧，干后待冷又蘸再灼烧，连续5次后可见到瓷片上分别留下一层银色、红棕色、灰黑、棕黑色物质。这实际上是以瓷片为载体在表面上生成一层作催化剂的物质（Ag、Fe2O3、CuO、MnO2），待用。（2）把上述催化剂及25cm2的铜片（磨亮）共5种同时分别放入5mL3H2O2溶液中，结果为：催化剂CuAg（瓷片）Fe2O3（瓷片）CuO（瓷片）MnO2（瓷片）表观反应程度很慢快很慢慢很快火星试验无明显现象复燃无明显现象火星亮些又暗下来复燃反应时间72h反应完20min后气泡明显减少，40min后反应完72h反应完48h反应完12min后气泡明显减少，40min后反应完用K2Cr2O7溶液和乙醚检查H2O2分解彻底与否乙醚层蓝色，分解不彻底乙醚层无色，分解彻底乙醚层蓝色，分解不彻底乙醚层蓝色，分解不彻底乙醚层无色，分解彻底反应完瓷片、铜片情况铜片变黑瓷片由银亮色变黑色瓷片棕红色不变瓷片黑色不变黑色褪去，无脱落，液体加碱有棕红色沉淀可见，对H2O2催化分解最快的是MnO2，但它能与H2O2反应，随着MnO2的消耗催化效率逐渐下降；其次是Ag，虽然Ag也能与H2O2反应，但生成的Ag2O也是极好的催化剂，且不易脱落，催化分解彻底；其余几种催化效果、效率都不理想。为进一步研究MnO2的催化情况，我做了如下实验：MnO2催化的制作。a取005g MnO2粉末。b把5gKMnO4分布于试管内壁加热一段时间后把渣倒出，试管内壁上留下一层稳固的棕黑色物质（MnO2），或直接取用KMnO4制取氧气实验留下的试管，用水洗去浮渣后可用。c取附有MnO2的灼烧瓷片（制法如上所述）。d用一片有机玻璃浸于01KMnO4溶液中数天，待表面形成一层牢固的棕黑色层后取出可用。把这4种MnO2催化剂连载体分别放入5m15H2O2溶液中，情况如下：催化剂（载体）MnO2粉末MnO2 （试管）MnO2 （瓷片）MnO2 （塑料）反应情况剧烈，使火星复燃剧烈，使火星复燃剧烈，使火星复燃一般，使火星明亮，不能复燃反应完所需时间（min）35152030用K2Cr2O7溶液和乙醚检验H2O2分解彻底与否乙醚层无色，彻底乙醚层无色，彻底乙醚层蓝色，不彻底12h后检查仍见乙醚层蓝色，不彻底反应完取液体加碱液试验棕色沉淀棕色浑浊棕色沉淀有浅棕色实验结果说明MnO2对过氧化氢的分解有极好的催化作用，但催化剂的制作途径不同，其催化的效率也不同，这主要是接触面大小不同所造成的。对MnO2来说以粉末状态的催化效率最高。催化剂的用量对反应有否影响呢？为了探索这个问题，我做了这样一组实验：每次均用10mL30%H2O2溶液配制成10溶液32mL，采用不同量的MnO2粉末作催化剂，测定各次收集500ml氧气的时间，结果如下：MnO2粉末用量（g）01020304050607080910产生500mL氧气时间（s）17875332222结果表明：同一种催化剂的不同用量在一定范围内对反应速度是有影响的。2溶液浓度、操作情况的影响为探讨不同浓度H2O2溶液在相同条件下催化分解的时间及反应情况，本人做了如下实验，每次均用50mL30H2O2溶液（配制成不同浓度溶液）及020g MnO2粉末，在室温（20）下测定在试管中的反应时间，以导管在水中自冒泡至不再冒泡的时间为准，测定结果如下表：溶液浓度%溶液体积/ml所用试管规格/mm操作情况反应时间反应情况收得气体体积/ml反应完液体温度/1164532×200装置不动11min 0s反应较慢，后期极慢53924振荡11min 0s反应较慢，后期极慢354425×200装置不动3min 40s反应较慢，后期很慢54334振荡2min 30s反应前期较快，后期较慢532520×200装置不动3min 25s反应较慢，后期很慢54839振荡1min 14s反应较快，后期很快1016020×200装置不动1min 20s反应较快，后期很快55356振荡17s反应很快，收集的气体有白雾1510520×200装置不动25s反应很快，收集的气体有白雾56065振荡7s反应很快，收集的气体有大量白雾207820×200装置不动9s反应很快，收集的气体有大量白雾56267振荡6s反应剧烈，收集的气体有大量白雾256120×200装置不动4s反应剧烈，收集的气体有大量白雾56370305020×200装置不动3s反应剧烈，收集的气体有大量白雾56369把结果做成图象如下图所示。可见在相同条件下，溶液的浓度和操作情况对反应速度影响较大。后者则是在反应过程中振动反应器，由于振动时促使固液体充分混合，增大了接触面，从而使反应速度大大提高。如果收集气体l2L并以12min为适度（在这样的时间段内人们可从容地操作），则从图象分析可知，当装置不动时可选取84%114%的溶液，当装置可振动时可选取3258%的溶液。这并非绝对不变的，若出于一些反应的需要可视实际情况选用相应浓度的溶液，通常选用510溶液即可，在实际过程中用是否需要振荡及振荡次数、幅度大小来调节反应速度，使之符合人们的需要，这样做既简便又见效。操作对反应的影响还包括：滴液速度（有些装置通过分液漏斗把H2O2溶液滴进盛有催化剂的反应器中），显然，滴液速度大小制约着H2O2参加反应的量，因而控制着反应速度；还有反应前有否对MnO2粉末作润湿处理，由于MnO2粉末润湿需要一定的时间，当它还没有润湿透彻就随反应的气流鼓起时会形成过多的泡沫，这会对实验带来麻烦，所以要加入少量水作润湿处理，以防产生过多的泡沫。综上所述，常温常压下对H2O2催化分解的影响主要有三大因素：催化剂（包括种类、状态、用量三方面）溶液浓度和溶液与催化剂的接触面。因此在制取氧气过程中可以通过调节这些因素来控制反应速度。（珠海市二中，广东珠海519000） 陈少康