海藻酸钠微球催化过氧化氢分解实验的研究

许亮亮 陈懿 姚禹 闵凯文

摘要： 基于技术素养培养视角，借鉴催化剂工程设计理念，选用天然多糖海藻酸钠作为催化剂支架，制备了负载不同催化剂海藻酸钠微球，并利用数字化手持技术对微球的催化效果进行了对比探究。整个实验所用材料价格低廉、无毒环保，实验设计新颖有趣，操作简单安全。

关键词： 海藻酸钠微球； 过氧化氢分解； 催化； 实验探究

文章编号： 10056629（2018）2007904中图分类号： G633.8文献标识码： B

1问题提出

随着经济和社会的快速发展，技术已经成为人们日常生活中不可缺少的一部分。提高学生的技术素养已经成为我国中学科学教育目标中的核心内容之一，但从目前中学化学学科的研究现状和一线教学情况来看，化学教学中关于培养学生技术素养的教学研究和实践则非常薄弱[1]。因此本实验以培养和提高学生技术素养为旨归，在深入研读人教版初、高中化学教材的基础上，将学生熟悉的“过氧化氢制氧气”作为探究情境，借鉴现代工业催化剂技术开发原理[2]，选用可食用的天然多糖海藻酸钠作为催化剂支架，制备负载不同催化剂海藻酸钠微球，并利用数字化手持技术对微球的催化效果进行对比探究。整个实验所用材料价格低廉、无毒环保，实验设计新颖有趣，操作简单安全，成功实现了对过氧化氢制氧气反应速率的精准控制，也使催化剂的回收再利用变得简单易行。笔者将该创新实验应用于我校STEM化学选修课（两课时）中，让学生亲身体验工业生产中制备负载型催化剂的技术设计思路和方法，并利用手持技术探究催化剂的催化效果，使学生运用化学知识指导技术实践并对相关技术进行评价和改进，学会从化学的角度思考技术问题，更深层次地认识化学与技术在社会发展中的重要作用。

2实验原理

过氧化氢制氧气是学生初三阶段学习的化学反应。该实验绿色环保、操作简单、现象明显、产物无污染。但也存在两个问题： ①直接用MnO2催化時反应速率过快，不易控制；②MnO2过滤回收耗时耗力，往往直接倒掉。因此有学者对此实验进行了改进[3～5]： 将聚乙烯熔化后粘附MnO2、用502胶水将MnO2粘在铜丝上、用水泥负载MnO2等方法催化H2O2分解。这些实验虽各有特点，但并没有结合学生已有的化学知识和原理探究出更科学、更环保的反应条件。

海藻酸钠是一种以海带、巨藻等褐藻为原料提取分离出的天然多糖类生物高分子（结构见图1），具有良好的生物相容性且可食用，被广泛用于药物控释和组织工程类材料[6]。通过反复实验，本文将可降解水溶性高分子海藻酸钠作为催化剂的载体支架，即将海藻酸钠溶液分别与不同催化剂混合形成的混悬液滴入CaCl2溶液中，Ca2+取代海藻酸钠上的Na+，通过离子键将海藻酸钠高分子链进行交联固化（见图2），形成三维网状多孔结构的负载催化剂微球[7]，然后利用数字化实验仪器——压力传感器，定量探究负载不同催化剂海藻酸钠微球催化H2O2分解的效果。

3实验过程

3.1药品与仪器

30%过氧化氢溶液、二氧化锰、氧化铜、三氧化二铁、三氧化二铬、硫粉、海藻酸钠、氯化钙、去离子水；塑料滴管、烧杯、玻璃棒、酒精灯、磁力搅拌器、圆形筛子（直径10cm，孔径60目）、数字化压力传感器、电脑、铁架台（带铁夹）、锥形瓶

3.2实验操作

（1） 配制2%海藻酸钠和10%催化剂（如MnO2）混合悬浊液25g；配制1%氯化钙溶液50g。

（2） 用滴管将混悬液逐滴滴入1%氯化钙溶液，反应10分钟，即制得负载催化剂海藻酸钠微球，用筛子过滤并用去离子水洗涤。

（3） 取负载催化剂的海藻酸钠微球30粒于大试管中，如图3连接压力传感器，用注射器向锥形瓶中注入20mL浓度为5% H2O2溶液，溶液全部注入瞬间立即采集200s内压强数据。以该方法测定负载MnO2、 CuO、 Fe2O3、 Cr2O3和S的微球催化H2O2分解的压强数据。最后用Origin8.6软件绘制实验图形。

① 磁力搅拌器； ② 反应器； ③ 注射器； ④ 压力传感器； ⑤ 数据采集器

3.3海藻酸钠微球的表征

（1） 为制备较大球径的催化微球，实验前用剪刀剪去塑料滴管管口部分。用剪好的滴管吸取海藻酸钠和催化剂混悬液滴入1%CaCl2溶液中，Ca2+迅速渗入混悬液小液滴中，将海藻酸钠高分子链交联成球，微球直径约为3～4mm。实验中发现混悬液温度宜控制在40℃，滴加时可形成规则的球形。温度太低，易形成小球拖尾；温度太高，溶液流速快不易形成球形。CaCl2溶液浓度也不可过高，否则密度太大，小球会漂浮在溶液表面，影响固化。制备的负载五种不同催化剂的海藻酸钠微球，由于催化剂本身颜色不同，所以微球分别显示出不同的颜色（见表1）。

（2） 将负载不同催化剂的海藻酸钠微球用于催化5%H2O2溶液时，观察到负载MnO2、 CuO微球的表面迅速产生气泡，微球浮起，而负载Fe2O3、 Cr2O3、 S微球产生气泡较少（见表1）。同时利用压力传感器，定量测定了不同微球的催化效果，图4中a、 b、 c、 d、 e即为负载MnO2、 CuO、 Fe2O3、 Cr2O3和S的海藻酸钠微球催化H2O2分解产生O2的压强随时间的变化曲线图。可以看到不同催化剂的催化效果相差较大，其中负载MnO2微球显示了良好的催化效果，短时间内产生压强较大，60s时即将胶塞弹飞；负载CuO微球催化效果较好，反应温和；负载Fe2O3、 Cr2O3微球催化效果一般；负载S微球催化能力最弱。

a 负载MnO2； b 负载CuO； c 负载Fe2O3； d 负载Cr2O3； e 负载S

4教学反思

中学化学课程中技术素养包括技术知识、技术实践和技术情意三个维度[8]。本实验以技术知识为基础、技术实践为手段，最终促进技术情意的形成，在三者的相互作用中促进学生技术素养的形成。以下是结合本实验的教学反思：

4.1融入工程设计理念，拓宽技术知识

本实验以过氧化氢制氧气为探究情境，结合工业生产中常见的催化剂的工程设计理念，巧妙利用离子键交联固化技术制备负载不同催化剂海藻酸钠微球。该探究过程以学生已有知识为基础，将实验室设计与工业设计进行良好结合，既降低了学生的学习难度，开拓了学生的学术视野，更重要的是加深了学生对化学与技术之间关系的理性认识。

4.2熟练常规实验操作，强化技术实践

本实验创设了四种技术实践活动： （1）熟练配制溶液技术；（2）掌握物质制备技术；（3）学会分离提纯技术；（4）利用数字化仪器进行定量分析技术。精确配制不同浓度溶液的技术操作在实际教学中往往被忽略，本实验所有溶液配制均由学生独立完成，旨在培养学生严谨细致的工匠精神，真正将提升学生技术素养落到实处。学生使用压力传感器技术对不同微球的催化性能进行数字化的表征，加深了对定量研究的理解，也感受到了数字化实验技术的便携性、直观性、实时性、准确性等特点。

4.3加强实验反思创新，升华技术情意

本实验结束分组总结讨论时，有学生提出高中生物课上使用的富含过氧化氢酶的肝脏研磨液，能否负载于海藻酸钠微球上进行催化呢？学生的“异想天开”让本次实验探究真正实现了“言有尽而意无穷”。课后学生组成探究小组，选用10%肝脏研磨液，制备了负载生物催化剂过氧化氢酶的海藻酸钠微球，取得了良好的催化效果。图5即为负载过氧化氢酶微球催化H2O2分解压强变化曲线图，该微球显示了良好的催化效果，短时间内同样产生较大压强，65s时将胶塞弹飞。从图中曲线斜率发现与负载金属氧化物微球不同的是，负载过氧化氢酶微球催化效果随时间延长越来越弱。学生认为可能是随着反应进行，大量放热，溶液温度升高使生物催化剂过氧化氢酶失去了催化活性。学生结合自身知识进行跨学科思考和尝试，取得了极佳的探究结果，大大加深了对所学知识的理解，激发了学生的自信心。

5結语

技术素养视角下进行高中化学创新实验研究，不能只做“换汤不换药”的形式变化，而要基于学生认知、突出学科特色、体现前沿理念，紧扣教材，开发出真正让学生感兴趣的技术实验课程。本实验中所用药品均无毒无污染，用量少且便于回收利用，制备操作极其简单，现象非常明显。学生不仅很好地完成了各项实验步骤，而且在反思阶段打破了学科之间的知识界限，对实验进行了跨学科的思考和改进[9]，完成了实验的创造性升级，真正促进了技术素养的形成和发展。

参考文献：

[1]何翔.促进学生技术素养发展的高中化学教学实践与思考[J].化学教育， 2014，（19）： 14～18.

[2]王尚弟，孙俊全，王正宝.催化剂工程导论（第3版）[M].北京： 化学工业出版社， 2015： 169～175.

[3]张伟，李路路.对用过氧化氢溶液分解制取氧气实验的改进[J].中学化学教学参考， 2012，（10）： 55.

[4]潘璞峻，向玲.二氧化锰催化过氧化氢制氧气的实验改进[J].中学化学教学参考， 2016，（2）： 61.

[5]吴晓红，任斌，徐建菊.探究水泥负载二氧化锰催化分解过氧化氢的最佳条件[J].化学教育， 2017， 38（7）： 74～76.

[6]王春霞，张娟娟，王晓梅等.海藻酸钠的综合应用进展[J].食品与发酵科技， 2013， 49（5）： 99～102.

[7]许亮亮，邹正，程昊然.基于STEM教育的中学化学创新实验研究——以“制备pH响应海藻酸钠微球”为例[J].化学教育， 2017， 38（13）： 63～66.

[8]姜奕林，毕华林.中学化学课程中技术素养的培养研究[D].济南： 山东师范大学硕士学位论文， 2014： 31～42.

[9]许亮亮，邹正，吴可威.基于STEM理念的中学化学创新实验研究——以“自制电解水芯片实验室”为例[J].化学教育， 2017， 38（5）： 62～65.