利用手持技术探究过氧化氢生物催化剂种类及用量

郑庄钰 陈燕 倪佳琪 倪佳琳

摘要：针对中学生物和化学课堂中“探究催化剂对双氧水的分解作用实验”存在试剂有毒、价格较贵、不易保存、比较方法较为粗略等问题，改用常见、便宜、容易购买的水果蔬菜作为催化剂，利用压强传感器观测不同种类及用量的催化剂分解H2O2的速率，从中选择适于课堂演示及学生自主探究实验的生物催化剂及其用量。实验研究结果表明，室温下以2g上海青叶作为催化剂与2mL 3%H2O2溶液反应最适合中学课堂演示及中学生自主探究实验。

关键词：手持技术;过氧化氢;压强;生物催化剂

文章编号：1008-0546（2019）06-0084-04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.024

中学化学用于H202分解制氧气演示实验常见的催化剂是MnO2和FeCI3;中学生物使用了猪肝匀浆中的过氧化氢生物酶对H2O2催化分解。但传统实验中，观察过氧化氢的分解现象和比较催化剂催化效果的方法不够精确。另外，这些催化剂的催化效果虽好，但制作复杂、成本较高、污染环境。从现有文献中得知，目前针对过氧化氢分解的研究主要围绕的是过氧化氢的金属催化剂生产开发及金属催化剂和生物催化剂的效果对比;在手持技术出现之后，对过氧化氢分解的研究对象也依然主要是金属催化剂;除中学课本涉及到的这三种催化剂外，一些植物的茎、叶、果实中也含有大量过氧化氢酶，并且植物催化剂能克服动物催化剂和金属催化剂的一些不足，有独特优势，如贴近生活、易于制作、花费低、绿色可再生等，更能激发学生学习兴趣。本文将利用手持技术比较常见的生物催化剂的催化活性，并应用于中学化学教学，为中学化学实验教学提供参考。

一、过氧化氢分解实验的相关研究

过氧化氢（H2O2，又名双氧水）是一种“绿色”化工产品，广泛应用于化工、医药、环保、军工等。过氧化氢自身分解非常缓慢，但许多无机、有机杂质或高温、强光照射都能诱发其发生分解反应并释放大量热量，当其分解速度过快而不能及时散热则容易出现危险乃至爆炸。因此有不少研究重点在于如何控制过氧化氢的分解条件，如研究各类过氧化氢分解催化剂的催化分解动力参数、比较各类催化剂的催化效果、寻找和开发各种新型环保、廉价、重复使用良好的过氧化氢分解催化剂等。这些研究和专利发明主要用于生产，主要为金属负载型催化剂、过渡金属氧化物催化剂以及非金属催化剂。

过氧化氢在金属化合物以及过氧化氢酶的催化作用下能够分解产生氧气，借助该实验可以认识化学反应的条件、催化剂的作用以及生物酶的特点，因此该反应为中学化学及生物重要知识点之一。教师在探究催化剂对双氧水分解作用的实验时通常使用三氯化铁、二氧化锰和新鲜猪肝作为催化剂，并通过观察气泡产生情况、点燃的线香或留有余烬的小木条复燃情况来比较催化效果。这些实验方案存在的问题有：由于过量的锰进入机体可引起中毒，损害中枢神经系统，因此实验后的二氧化锰要尽量回收，否则造成污染;新鲜猪肝价格较贵、不易保存（冷冻会使酶失去活性）且实验前的处理较为麻烦;凭肉眼观察气泡产生的数量，只能定性和粗略定量地比较催化效果。

由于过氧化氢酶作为一种氧化还原酶，普遍存在于生物体内，能以极高的速率催化分解过氧化氢为水和氧气，因此有研究尝试以植物催化剂替代动物肝脏进行过氧化氢分解比较研究。如成蕴秀、陈晓波等（2015）比较了萝卜、马铃薯、苹果的催化效果，得出马铃薯催化效果较好且便于保存，可替代猪肝实验。张春艳、李荣飞（2010）研究了新鲜菠菜、苦荬菜、桑叶、新鲜土豆、辣椒催化H2O2分解的反应速率以及H2O2浓度对反应速率的影响，得出桑叶催化效果最.好，催化剂的用量以3.0g为宜，H2O2的浓度10%即可。这些研究均采用中学课本中的肉眼观察法得出以上结论。

在手持技术实验进入中学课堂之后，出现了以该实验技术探究过氧化氢分解制氧气的条件研究，如催化剂种类及用量、双氧水浓度及用量等。这些研究除陈承声、区永麟（2009）使用了酶催化剂（马铃薯和干酵母）外，其余均使用二氧化锰、三氯化铁、碘化钾等金属催化剂。

综上所述，使用手持技术和生物催化剂以解决当前中学教学中过氧化氢分解实验存在的问题，其研究尚不多见。因此本研究将利用手持技术探究常见果蔬生物催化剂及其用量对过氧化氢分解的催化效果，开发适合中学化学及生物教学的绿色环保、直观定量的过氧化氢分解实验方案。

二、利用手持技术研究过氧化氢生物催化剂的实验设计

1.實验目的

比较不同生物催化剂的催化活性，并选出最适合做课堂演示实验的生物催化剂及实验条件。

2.实验原理

压强传感器测量过氧化氢在生物催化剂的催化下分解产生氧气形成的压强，反映不同生物中过氧化氢酶的活性高低，反应的方程式如下：2H2O2=催化剂2H2O+O2↑。

3.实验用品

实验仪器：药匙、量筒（10mL，50mL）、滴管、容量瓶（50mL）、电子天平、压强传感器、数据采集器、研钵、铁架台、锥形瓶（50mL）、橡皮塞、具支试管、计算机。

实验试样及试剂：水果类（苹果、梨）、蔬菜类（土豆、上海青）、菌类（金针菇、香菇）、30%H2O2溶液、蒸馏水。

三、实验探究过程

1.实验准备

（1）将30%H2O2溶液稀释成3%H2O2溶液以备用。

（2）将苹果皮、苹果肉、梨皮、梨肉、土豆皮、去皮土豆、上海青叶、上海青杆、金针菇、香菇研磨碎。

（3）将压强传感器与数据采集器及计算机相连，设置采样频率：2个/s。

（4）将压强传感器与具支试管的支管相连，用橡皮塞密封具支试管，并用手心握住具支试管，开启数据采集器，检查装置气密性。

2.实验方法

（1）取生物催化剂碎末放入具支试管中，用量筒量取2mL 3%H2O2溶液备用。

（2）将2mL 3%H2O2溶液倒入具支试管并立即用橡皮塞密封具支试管，同时启动数据采集程序。待反应完全，数据稳定后，停止实验，保存实验数据。不加入催化剂重复实验一次作为对比实验。

（3）将采集到的数据用Origin软件处理，得到反应前后压强随时问变化曲线。

3.实验项目

[实验1]探究生物催化剂种类对过氧化氢分解的影响，各生物催化剂碎末用量为2.0g;3%H2O2溶液2mL。

[实验2]探究生物催化剂用量对过氧化氢分解的影响，取催化性能最好的生物催化剂碎末，用量分别为1.0g、2.0g、3.0g;3%H2O2溶液2mL。

4.注意事項

（1）由于温度不仅会影响过氧化氢分解速率，还会影响酶的活性，并且在5-50℃时过氧化氢分解为一级反应。因此本实验在室温条件下操作即可。

（2）实验时要用新鲜的生物催化剂，现磨现用，避免生物催化剂被氧化。

（3）过氧化氢在常温下见光也会分解，因此实验过程应尽量避免光线直接照射，过氧化氢溶液应放在阴凉处且现用现取。

四、结果与讨论

1.探究生物催化剂种类对过氧化氢分解的影响

实验条件：各生物催化剂碎末用量为2.0g，3%H2O2溶液2mL，实验温度27.8%，压强100.7kPa，实验结果如图1所示。

从图1可以看出：

（1）同种生物不同部位对过氧化氢的催化活性可能不同。

（2）金针菇、香菇的催化活性特别强，在实验过程中催化过氧化氢产生氧气的速度很快，易导致反应瞬间产生的大量氧气来不及收集，造成实验误差，增加实验难度。

（3）从反应时间、曲线线性和实验现象来看，上海青叶的催化效果最佳。由于叶子质量较轻，碎末较疏松，可以与过氧化氢充分接触，叶子碎末会随过氧化.氢分解产生的氧气上移，实验现象非常明显。另外，反应在5分钟内结束，在4分钟左右达到峰值，适合在有限的课堂时间内做演示实验，还能让学生充分感受到反应限度这一概念。因此，接下来的实验将探究上海青叶用量对过氧化氢分解的影响。

（4）本轮实验还增加了一组活性炭，目的是为了探究不同生物催化剂催化性能的不同可能是由于比表面的不同引起的。

2.探究生物催化剂用量对过氧化氢分解的影响

实验条件：上海青叶碎末用量分别为1.0g、2.0g、3 0g，3%H2O2溶液2mL，实验温度30.2%，压强100.5kPa，实验结果如图2所示。

从图2可以看出：

（1）过氧化氢分解程度随催化剂用量增加而增加，但分解速率并不呈现这样的规律，原因可能是2mL的H2O2溶液不能完全浸没3g上海青叶碎末，导致反应物不能充分接触。反应开始时，H2O2溶液只能与上层上海青叶反应，待上层叶子反应且随氧气上移以后，下层叶末才开始反应。因此催化剂用量为3g时的反应时间比2g的多，且曲线斜率比用量为2g的小。

（2）从曲线线性来看，催化剂的用量为1g和3g时曲线整体平滑性不太好，视觉上不美观。当催化剂的用量为2g时，条线的平滑性比较好。所以当过氧化氢浓度为3%，用量为2mL时，选用2g上海青叶最合适。

五、实验总结

1.实验结果归纳

（1）生物催化剂种类对催化活性的影响：（金针菇、香菇）>上海青>梨>土豆>苹果，且皮的催化活性高于肉，蔬菜叶的催化活性高于蔬菜杆。上海青叶实验时的反应时间较合理、曲线平滑性较好、实验现象明显。

（2）催化剂用量对催化活性的影响：2g上海青叶实验时的曲线平滑性较好。

综上所述，选择2g上海青叶作为2mL 3%H2O2溶液的生物催化剂是课堂演示实验的最佳条件。

2.本实验方案在中学化学教学中实施的优点

与一般的生物和化学课堂实验相比，本实验通过实验材料和实验手段的创新实现了实验的绿色化，提高了实验测定的精确度和趣味性，非常适合中学生进行自主探究学习以及课堂演示之用。

（1）实验材料的创新——实验更加绿色环保、安全有趣

在中学化学课和生物课中关于双氧水分解实验的催化剂一般使用如二氧化锰、三氯化铁等金属化合物催化剂和新鲜的猪肝匀浆这样的生物催化剂。由于二氧化锰粉尘可引起人的锰尘肺，高价锰氧化物不论侵入机体的途径，其毒性作用对大脑有损伤，因此使用二氧化锰作为催化剂时，若处理不当可能对环境和人体造成不良影响。而新鲜猪肝作为催化剂，需要制作成匀浆且价格较高、不易保存，其气味、性状及卫生情况都不易于引发学生的实验兴趣。本实验从日常生活实际出发，使用一年四季常见的水果蔬菜等植物替代上述催化剂，不仅价格便宜方便易得，而且用材安全环保，实验后不需要回收处理，不对环境造成污染，实验过程安全有趣，非常适合学生自主探究了解过氧化氢的化学性质以及催化剂和生物酶的作用。

（2）实验手段的创新——定性与定量结合、动态追踪实验进程

中学化学课和生物课通常采用肉眼观察反应过程中气泡产生的数量和快慢来比较过氧化氢在不同条件下的分解情况，其测定较为粗略。本实验使用现代化的手持技术实验手段，利用压强传感器测定单位时间内过氧化氢分解产生氧气的压强值，并以动态曲线的形式呈现反应速率的变化，将实验现象转化成数字与图像，不仅可以同步观测到宏观现象和与之对应的实时气压数值，还能从定性和定量两个角度了解化学反应进程。

（3）实验方案的创新——实验操作简单、结果准确直观、用时适中

本实验方案在选择实验材料种类及用量时，除了考虑季节性以及实验试剂及试液用量原则以外，还考虑了过氧化氢稀释时的计算问题，减少了计算工作，降低了操作难度。利用手持技术压强传感器和计算机自动测试记录数据，数据准确度高、数据处理快捷;通过对采集记录到的多组数据作图，可以进行较为精确的催化效果对比，直观感受到不同催化剂及用量对反应的影响;实验花费的时间比较适中（3-5min），不仅可作为教师课堂演示实验，也可作为学生课堂或课后趣味实验，寻找更多生活中可作为过氧化氢催化剂的物质，拓宽学生的视野，感受科学探究的乐趣。