用正交试验法确定过氧化氢制取氧气的最佳条件MicrosoftWord文档(2)

1、用正交试验法确定过氧化氢制取氧气的最佳条件钟 超1 何广平2（1 恩平黄冈实验中学 广东 江门 529400；2 华南师范大学化学与环境学院 广东 广州 510000）摘 要 本文通过正交试验法探究实验室用过氧化氢制取氧气的最佳条件，找出了影响过氧化氢制取氧气的主要因素，从而优化了过氧化氢制取氧气的条件，保证了实验效果，提高实验成功率，降低实验成本，同时为优化实验室制氧气提供一种方法和经验。关键词 正交试验法 过氧化氢 最佳条件- 4 -1前言过氧化氢制取氧气对于初中化学实验是一个十分重要的实验，是确保学生顺利参加中考的关键实验。目前，基础化学教育工作者对实验室用过氧化氢制氧气的温度、催化剂的

2、种类、过氧化氢溶液的浓度等之间的关系的研究较少，为实验教学的顺利进行造成一定的影响，关键是在正交试验相关理论指导下根据实验实际条件通过试验确定。在初中化学教学过程中，从对部分学生分组实验的观察中发现过氧化氢制氧气普遍存在下列现象：反应速度过快，反应速度过慢，过氧化氢用量太多或二氧化锰用量过少等现象。我们认为其主要原因是实验条件不佳，没有经过科学的系统试验。影响氧化氢制氧气的因素很多，要找出最佳的氧化氢制氧气条件需进行大量的试验，大多数教师没有时间和精力，只能凭经验。本文通过正交试验法1，用尽可能少的试验初步探索出实验室用过氧化氢制氧气的最佳条件，为化学教师提供借鉴。2 试验21试验方法因影响氧

3、化氢制氧气的因素很多，不宜采取大批量的试验，所以本试验采取正交试验法。22试验目的通过控制反应条件，包括催化剂的种类、催化剂的用量、过氧化氢的浓度和温度，从而探究用过氧化氢制备氧气的最佳条件；通过实验加深对催化剂功能的认识；获得定量测定气体体积的技能；通过正交试验设计不同条件对实验结果的影响，增强实验探究意识和探究技能。23试验原理H2O2 = H2O+O2催化剂是一种可以改变反应速率而本身的质量和化学性质都不改变的物质，它的使用能够改变反应途径，降低反应的活化能。过氧化氢分解的催化剂主要是一些内部有不规则形状、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

4、不稳定且其吉布斯自由能很大，因此加入催化剂后总能量越过能垒，使分解加快。氧气在水中的溶解度很小，所以可用排水法来测定氧气的体积。24试验材料与仪器仪器 作者简介：钟 超（1979）男，汉族，教育硕士，主要从事化学学科教学研究。铁架台，胶塞，导管，锥形瓶，药匙，天平，温度计，恒温加热器。试剂过氧化氢溶液（3%、5%、10%），二氧化锰，氧化铜，活性炭。25试验装置图1 过氧化氢溶液制取氧气装置3确定评价指标众所周知，过氧化氢制氧气的速率并不是越快越好。当反应过于剧烈，一是存在安全隐患，二是不容易操作。反之，如果速率过于慢，则不利于课堂教学。所以本试验确定评价过氧化氢制氧气条件好坏的指标从速率方面

5、综合考虑：用排水法收集相同体积(10ml)的氧气，所用时间越少则表示反应速率越快。4确定试验因素和试验条件2影响过氧化氢制氧气的因素很多，但关键因素有催化剂的种类、过氧化氢的浓度和最佳催化剂的用量、温度等，所以本试验选取了对速率影响较大的四个因素及其三个水平：催化剂种类（二氧化锰、氧化铜、活性炭）、催化剂用量（0.1-0.3g）、过氧化氢浓度（5%、10%、3%）、温度（20、25、30）进行L9（34）正交试验。确定正交试验的因素和水平如表1所示。表1 正交试验的因素及水平3 因素 水平A（催化剂的种类）C（催化剂的用量）gB（过氧化氢的浓度）D（温度）一二氧化锰0.1 g5%20二氧化铜0

6、.2 g10%25三活性炭0.3 g3%305试验结果将催化剂的种类、过氧化氢的浓度、催化剂的用量和温度等分别填入正交试验表格，其结果如表2所示：表2 正交试验的结果因素试验号A（催化剂的种类）C（催化剂的用量）gB（过氧化氢的浓度）D（温度）所用时间/s评分1二氧化锰0.1g3%2518.76642氧化铜0.1g5%2015.25843活性炭0.1g10%3023.54374二氧化锰0.2g10%2015.83815氧化铜0.2g3%3021.37496活性炭0.2g5%2520.72537二氧化锰0.3 g5%3012.431008氧化铜0.3g10%2517.68709活性炭0.3g3%

7、2024.3232K1185145197K2183237187K3202188186k161.748.365.7k2617962.3k367.362.762R6.330.73.7试验结果分析对表2结果进行对比分析，可得出以下结论：相同条件下催化剂的催化效果为：二氧化锰氧化铜活性炭。微量金属（铜、锰等）的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，探究得出氧化铜的催化效果不如二氧化锰，氧化铜作催化剂在反应初期的分解速率较慢，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4。据文献，活性炭作为过氧化氢分解时催化剂反应速率本应很快5。但在本实验中活性炭的催化作用

8、没有体现，可能是因为在实验室放置时间太久而导致失效。由于活性炭容易吸附临界温度高的气体，比如二氧化碳，如果活性炭的表面吸附了二氧化碳，其催化能力就会减弱。相同条件下不同浓度的过氧化氢的分解速率大小为：10%5%3%。过氧化氢的浓度越高，分解速率越快。通过实验得出，相同条件下，催化剂的用量对分解速率的影响为：0.3g0.2g0.1g。即催化剂的用量越多，过氧化氢的分解速率越快。6结论本实验为用正交试验法确定过氧化氢制取氧气的最佳条件。我们主要探究了在三个温度条件下催化剂种类及其用量、过氧化氢浓度过分解速度的影响。我们探究得出的结论是：对于过氧化氢制取氧气，二氧化锰的催化效果最为明显，过氧化氢的浓

9、度越大，催化剂用量越大，其分解速率越大。最后，通过对催化剂种类、催化剂用量、过氧化氢浓度综合分析，可得出实验室制取氧气的最佳条件为：二氧化锰作为催化剂（用量0.3g），温度为25，过氧化氢浓度为5%。7 反思本实验的目的是为了探究过氧化氢制取氧气的最佳条件，但由于实验仪器的限制，我不能把实验水平再进行细化。实验得出：相同条件下，即催化剂的用量越多，过氧化氢的分解速率越快。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中毒现象。但是我们的实验没有得出这个结果，主要原因是设计探究条件不足。参考文献：1 卫子光化学实验设计与研究M天津:南开大学出版社，2005.93105.2 北京大学数学力学系数学专业概率统计组编正交设计一种安排多因素试验的数学方法M北京:人民教育出版社，1976.5663.3 中国科学院数学研究所数理统计组编正交试验法M 北京:人民教育出版社，1975.2345.4 王福谈化学实验教学N未来导报，2005.08.05.(3). 5 王尚弟，孙俊全催化剂工程导论M北京: 化学工业出版社，2007.141