高中化学 4.2 催化剂对过氧化氢分解反应速率素材3 苏教版选修6

DIS探究催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响日期： 年 月 日实验者： 成绩等第: 【探究背景】催化剂是化学研究中的永恒课题。催化剂就像“点石成金”的魔术棒，能够增大化学反应速率。在化工生产中，接触法制硫酸、合成法制氨、氢化法制硬化油等，都使用了催化剂。在化学反应原理中我们学习了催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响，这是采用传统中学化学实验手段对此实验进行的定性研究。通常判断H2O2分解速率的大小，可以通过观察比较H2O2溶液中析出气泡的快慢程度，或测定单位时间内H2O2分解放出O2的体积。但催化剂对过氧化氢分解反应过程究竟是如何影响的？该分解反应是什么规律？反应速率曲线又是怎样的数学关系？这些都是传统中学化学实验手段难以回答的。基于对这些问题的思考，我们可以利用先进的DIS实验系统深入探究催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响，认识催化剂对化学反应的重要作用。【探究目的】1.探究不同催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响。2.熟悉DIS实验系统的使用，会使用压强传感器对反应容器中的气压进行实时测量，并绘制“Pt”图线进行分析。【探究原理】1.过氧化氢分解的影响因素过氧化氢（H2O2），俗称双氧水，它是一弱酸性的无色透明液体，相对密度1.4067（25 ），熔点0.41 。沸点150.2 ，溶于水、醇、醚，不溶于石油。溶液的酸碱性对H2O2的稳定性有较大的影响，如在碱性溶液中，H2O2分解较快；在酸性条件下比较稳定，一般商品的过氧化氢溶液里都加有酸作为稳定剂。另外，H2O2见光、遇热、遇到大多数金属氧化物、粗糙表面、重金属及其它杂质分解也会加速。通常选用MnO2作催化剂，MnO2的用量以及颗粒直径大小均会影响H2O2分解的速率。除MnO2外，还可用CuO、Fe2O3等作H2O2分解的催化剂。在催化剂存在下，H2O2迅速分解：2H2O2 2H2O O2不含杂质的双氧水的分解速度一般较慢, 每年损失率在1%之下。但是由于微量的可溶性杂质（甚至小于1ppm）就能使分解速度大大加快, 加速分解速度的杂质有：三价铁离子、二价铁离子、二价铜离子、一价铜离子、钒酸盐、铬酸盐、重铬酸盐、钨酸盐、溴化物等。除了某些金属如铜、铁、锰离子或金属屑有催化作用外，其它极细小的、有棱角的固体物质，以至容器器壁，纤维和胶体等固体表面，都具有加速双氧水分解的作用。在温度稍高时高浓度的过氧化氢能使有机物质燃烧与二氧化锰相互作用能引起爆炸，不利于运输。过氧化氢具有较强的氧化能力，为强氧化剂，腐蚀性很强，贮存双氧水容器的材质只能用纯铝（99.6）、不锈钢、玻璃、陶瓷和聚乙烯塑料等。过氧化氢既是氧化剂，也可以是还原剂。过氧化氢广泛应用于化学品合成、纸浆、纸和纺织品的漂白（是一种优良的氧化漂白剂）、金属矿物质处理、环保、电子及军工等领域。2DIS实验系统的应用采用先进的DIS实验系统，通过压强传感器实时测量过氧化氢分解反应放出氧气的气压，利用气压变化快慢与氧气放出速率大小成正相的关系，绘制在不同催化剂情况下的“Pt”曲线，外显出催化剂对过氧化氢分解反应的影响过程，揭示出该分解反应的变化规律。拟合是借助数学方法对反应规律的探索。拟合前要观察实验所获得的图线形状或数据点的排列情况，对图线或数据点的分布规律作出初步的判断（猜测），然后用拟合的手段加以验证。点击“图线分析”的“拟合”按钮，将弹出拟合菜单。点击菜单中的某一选项，即可获得一条基于该选项的拟合图线及其图线方程。观察拟合图线与实际图线的吻合程度，可为推断该实验图线符合何种数学规律提供有力的佐证。【探究用品】朗威DISLab6.0数据采集器、计算机、压强传感器、具支试管、橡胶管、单孔橡皮塞、20mL注射器、铁架台（带铁夹）、纸槽、天平、称量纸、药匙、10mL量筒、滴管、6%H2O2溶液、MnO2、CuO、1mol/LFeCl3溶液、6mol/LHCl、6mol/LNaOH压强传感器:用于测量气体压强，其读数为绝对压强值。使用时应保证被测气体与压强传感器前端的软管连接紧密。量程为0KPa300KPa，分度0.1KPa。请注意勿将该传感器直接用于测量液体压强，不能超量程使用。【探究方案】1.组装实验装置，用数据线连接计算机、数据采集器、压强传感器,如图1所示。图1 实验装置图2.打开DISLab V6.0实验软件系统，点击“通用软件”，系统自动识别所接入的传感器，并显示当前压强值。观察压强示数是否稳定，如果示数有所下降，则说明装置漏气。3.先用6H2O2溶液作空白实验，监测体系氧气生成速率。用注射器抽取3mL6%H2O2溶液并插入单孔橡皮塞，塞紧橡皮塞。4.点击工具栏中“组合图线”图标，打开组合图线窗口。点击“采集控制”中“停止”按钮，设定采样频率为10。点击“图线选择”中“添加”按钮，设定x轴、y轴分别为“时间”、“P”，点击“确定”，即添加“P-t”图线。5.一位同学迅速注入3mL6%H2O2溶液，并抵按住注射器活塞，观察实验现象；另一同学随即点击“开始”记录，观察60s内实验过程中气压的变化情况，后点击“停止”, 即得到“P-t”图线。6.进行图线分析。使用拟合，首先要在实验图线中选择有效区域。例如点击坐标系下方“选择区域”按钮，可借助与光标随动的竖线分别点击图线上反应开始时的起点和终点。然后，点击“图线分析”的“拟合”按钮弹出菜单，根据图线的形状选择拟合函数，即得到基于该选项的拟合图线及其图线方程（图线选择区域内自动生成）。若要保留所绘制的图线，可点击“锁定”将此图线锁定，以便在同一界面中与新绘制的图线作比较。7.用纸槽加入0.2gMnO2于洗净的具支试管底部，用注射器抽取3mL6%H2O2溶液并插入单孔橡皮塞，塞紧橡皮塞。重复以上46步操作，得到“P-t”图线，进行图线分析。8.再分别用0.2gCuO和2mL的1mol/LFeCl3溶液、6mol/LHCl溶液、6mol/LNaOH溶液作H2O2分解的催化剂进行实验，并记录实验结果。【注意事项】1双氧水有强腐蚀性，强氧化性，与皮肤接触会有强烈的烧灼感，使局部皮肤和毛发发白，产生刺痛、瘙痒。在使用过程中应注意避免与眼睛、皮肤接触，以防灼伤。2压强传感器要求在密闭系统中测定使用，但密闭系统中产生压强过大容易引起爆炸等危险，所以实验装置设计中采用的注射器既是加入反应物的容器，又是整个体系的减压装置。一旦体系的压强过大，超过压强传感器量程，即可松开注射器活塞，达到减压目的，确保实验安全。3装置使用前要检查气密性，以防实验过程中漏气，导致数据不准确。4本实验选取均是0.2g固体催化剂和2mL液体催化剂，所加入的催化剂用量都是一样的，有利于平行比较催化效率。5选用6的H2O2溶液是因为DIS压强传感器很敏感，如果浓度大虽然反应剧烈，一方面数据波动也会较大，不利于精确测定；另一方面在密闭系统测定时，压强过大容易引起爆炸等。6.每次清洗具支试管和向其中加入药品时，应注意不要将水或药品流入具支试管的支口，以免沾污压强传感器。7实验中因为是测量氧气生成速率，不是氧气生成