过氧化氢催化分解最佳条件正交实验研究

陈灵华 陆良杰

自实施新课程改革以来，九年级化学多种版本的教材都增设了用H2O2分解制氧气的实验。教学中进行该实验时都是按课本以MnO2作催化剂，对催化剂没有太多的考虑和选择，更不会考虑酸碱性对H2O2分解的影响。实验结果表明，带火星的木条较难复燃，只看到火星闪亮一下，达不到预期效果。因此，本文试图用正交实验设计的方法找出过氧化氢催化分解的最佳的条件。

一、实验指标的确定

1.以5分钟内产生O2的速率为实验指标。

2.采用直观分析法来评价实验结果的优劣。

二、因素、水平的选取

研究表明，H2O2的水溶液受热见光会加速分解，微量元素金属（Fe、Cu、Cr、Mn等）离子及这些金属的氧化物、非金属元素的碳粉及尘埃、生物酶等催化剂，以及溶液的酸碱性对H2O2分解速率均有影响。本实验中，所选择的主要影响因素为：H2O2的物质的量浓度、催化剂、酸碱性。每次实验将H2O2溶液的用量固定为3mL，催化剂的质量固定为0.5g，酸碱的滴加量固定为3滴。酸选择冰醋酸，碱选择2.0mol/L的NaOH溶液。催化剂选择三种类型：微量元素、生物酶、非金属元素。

本实验选定的因素水平如表1所示。

三、实验步骤

1.用30%的H2O2溶液（9.8mol/L）分别配制6.5mol/L、3.0mol/L的H2O2溶液250mL，配制2.0mo1/L的NaOH溶液50mL。

2.分别称量0.5gCuSO4·5H2O、碳粉、土豆丝各三份。

3.检查气密性，组装实验仪器。

4.量取9.8mol/L的H2O2溶液3mL加入具支试管中，然后滴加3滴2.0mol/L的NaOH溶液，再加入0.5gCuSO4·5H2O，在5分钟时纪录收集到的气体的体积。

5.根据表2的实验方案分别改用不同浓度的H2O2溶液，在不同酸碱性条件下，用不同催化剂，纪录5分钟时收集到的气体的体积。

四、实验方案的设计及其结果

本实验设计为三因素三水平的活动水平实验，选用L9（33）正交表来安排实验，其方案及结果见表2。

五、实验结果与讨论

上述实验结果表明：

1.H2O2溶液的浓度对H2O2分解速率影响不大。

2.微量元素和非金属元素作催化剂时比用生物酶作催化剂对H2O2分解速率影响更大。

3.H2O2所处的酸碱性环境对H2O2的分解速率影响最大，在碱性条件下H2O2的分解速率最快，在酸性条件下H2O2的分解速率最慢。

4.综合上述及表2的直观数据分析，在所选定的因素、水平范围内，各因素对实验指标影响的主次关系为：

5.在本实验所选取的因素、水平范围内，最佳实验条件组合应为A3B3C3，即在浓度为3.0mol/L的H2O2溶液中加碱条件下用碳粉作催化剂进行实验，实验取得的效果最佳。

[课题项目]广西教育科学“十二五”规划课题《化学实验教学中培养学生创造性思维和创新能力的实践研究》（课题编号：2011C0341）成果之一。