不同催化剂条件下实验室制氧气的探究报告

1、不同催化剂种类及用量下氯酸钾分解法制取氧气反应速率的对比研究【摘要】中学化学实验氯酸钾分解法制取氧气，催化剂的种类及用量对该反应的反应速率有着不同的影响。本文采用定时记录氧气生成量的方法，在某一配比下（KClO3:催化剂=3.33：1）测试了两种催化剂（CuO和MnO2）的催化效果，进一步在同一催化剂（CuO）条件下改变配比研究氧气的生成速率，以找到最为合适的用量比。【关键词】氯酸钾分解法；氧气；催化剂；用量比1 引言中学化学教学中，氧气的实验室制取实验常常采用氯酸钾分解法，该实验是学生了解加热分解反应的操作要求、掌握气体的制备和收集方法以及初步建立催化剂和催化作用概念的重要课程实验。反应速率

2、适中便于学生实验演示是该实验成功展示的必要条件，因此，我们需要调整催化剂的种类和用量研究氧气的生成速率，以找到最为合适的用量比。在比较催化剂催化效果时，其他反应变量应尽量保持一致。比如选用同一规格的试管，酒精灯的加热位置一致，粉末的研磨程度和混合程度要做到相近1。实验操作时严格遵从这样的原则，减少因变量控制不统一造成的实验误差。中学化学常用的氯酸钾分解的催化剂是MnO2。但实际上，许多种金属氧化物都可以作为该反应的催化剂，尤其是过渡金属氧化物，都能有比较不错的催化效果2。中学阶段大多数教学参考书将KClO3和MnO2的用量比定为20：6（即3.33：1）1。本文将在该配比下比较CuO和MnO2

3、对KClO3分解反应的催化效果并进行分析，随后，在以CuO作为催化剂条件下改变不同的用量比记录氧气生成速率的不同并进行分析。2 实验用品仪器量筒（50mL）1个，集气瓶（250mL）1个，大试管5个，托盘天平1台，铁架台1副，铁夹1个，酒精灯1个，火柴1盒，试管夹1个，水槽1个，双孔橡皮塞1个，单孔橡皮塞1个，秒表1个，研钵1个，导气管和橡胶管数根。药品氯酸钾，二氧化锰，氧化铜。3 实验步骤3.1 两种催化剂条件下对氧气生成速率的影响（用量比为催化剂：KClO3= 1：3.33）如图1安装好仪器，检查气密性。图实验装置用托盘天平称取6.67g氯酸钾固体，放入研钵中轻轻压碎成粉末，称取2g二氧化

4、锰粉末，与其混合装入试管中加热分解，用排水集气法收集气体。每收集约10mL气体记录反应时间。同样的方法进行氧化铜催化的实验。3.2 氧化铜做催化剂时不同用量比条件对氧气生成速率的影响用托盘天平称取6.67g 氯酸钾固体，分别称取0.67g、2g、6.67g、13.3g氧化铜粉末，按实验1的操作方法收集氧气，每隔一段时间记录氧气的体积。4 数据记录4.1 两种催化剂条件下对氧气生成速率的影响（用量比为催化剂：KClO3= 1：3.33）（表1）V/mLt/sCuOMnO20001013156201819130222164025238503125768.746287表1 CuO和MnO2分别做催化

5、剂时生成同样体积氧气需要时间的记录4.2 CuO做催化剂时不同用量比条件对氧气生成速率的影响（表2）。1/101/3.331/12/1t/sV/mLt/sV/mLt/sV/mLt/sV/mL00000000231013101016502331818202036901043282230305212025533725403868.71404163463150150528768.74668.717068.7表2 CuO做催化剂时不同用量比下氧气体积随时间变化的记录5 数据分析根据以上实验数据，以时间t（s）为横坐标，以氧气生成体积V（mL）为纵坐标分别做图。5.1 催化剂种类对反应速率的影响（图2）

6、图2 不同催化剂种类下氧气生成量随时间的变化在固定配比（催化剂：KClO3= 1：3.33）的条件下，CuO的催化效率要优于MnO2，且二者相差较大。该结果与多数相关文献的测定结果相悖2345。经分析，出现这样现象的可能原因是实验中使用的催化剂颗粒的影响，CuO粉末颗粒更小，与氯酸钾混合的更加均匀充分。5.2 催化剂用量对反应速率的影响（图2）图2 不同催化剂用量下氧气生成量随时间的变化随着催化剂用量的逐渐提高（从1/10到1/3.33到1/1），氯酸钾分解的速度逐步加快。但当催化剂量过多时，催化效率反而下降（2/1）。这证明了在催化剂用量较少的情况下，反应的进行速率随催化剂用量提高会得到提升

7、，在1：1的情况下反应速率达到了一个较高的值，气体收集很快，不利于演示实验的进行。在催化剂用量过大后，虽然氯酸钾与催化剂的接触更加充分，但催化剂颗粒过大，反而使反应速率下降。综合考虑下， 1：10时氧气生成较为平稳，速度也不是特别快，是CuO作为催化剂演示实验时的合适用量比。6 讨论（1）多种金属氧化物都可以在该实验起到催化作用，其催化速度的差异，可能与它们在反应过程中放出氧气，形成低价氧化物或单质金属的难易程度有关3。这些金属氧化物在反应过程中，可能经历放出氧气形成低价氧化物或单质金属的过程，随后又被氧化成原来的金属氧化物。MnO2释放单位氧原子的反应热比CuO小，故导致了MnO2的催化效率

8、优于CuO。但在本实验中MnO2的催化效率与CuO差距较大，显示出了与前人实验不同的结果。在尽量控制其他变量一致的情况下，该实验结果可能与实验药品的混合程度、颗粒大小有关。另外，时间记录的时间不够长，在充分长时间加热的情况下，实验结果可能会有所不同。在后续重新设计实验时，应该全面充分的考虑这些问题，避免人为差错的产生。（2）催化剂用量是中学实验进行演示所考虑的必要问题。演示实验要求学生能充分观察反应现象，反应时间应该适当控制，但又不可以过久，否则会浪费课堂时间。在本实验的用量比中，1：1的反应很迅速，适合用于快速制备氧气，但不利于学生的观察，2：1的反应过于缓慢，不仅拖沓了时间，也不利于老师的授课过程。所以1：10的用量比最为合适，催化剂用量少，也能符合基本的教学过程。（3）本实验仅仅就分解产生后氧气的产生速度进行探究。实际上，依然有很多不够合理的地方。由于物质熔点等因素的影响，催化剂的效率不仅在催化反应速度上存在差异，刚发生分解的时间不同，反应中氧气产气是否均匀，氧气产量是否存在差别，都是实验值得继续探讨的地方1。参考文献1王程杰.中学化学实验研究.上海:华东师范大学出版社,2005:236-2382朱炜,刘志敏.对加热氯酸钾制氧气实验中催化剂的研究.化学教学,2002(6):47-483张允.氯酸钾