硬锰矿石催化过氧化氢制备氧气的实验探究

夏九云 刘传友 毛思哲 曹飞

摘要： 人教版初中教材中“二氧化锰催化过氧化氢分解的探究”实验中存在催化剂质量不易保证，难以回收等不足。为此，采用硬锰矿石作为催化剂，探究证明其具有良好的催化活性，验证催化剂质量在反应前后保持不变;另将硬锰矿石应用于启普发生器制备氧气，能够很好地控制反应发生或停止。整个实验催化剂可再回收利用，具有更精确、简便、环保等优点。

关键词： 硬锰矿石; 催化剂; 过氧化氢; 氧气制备; 实验探究

文章编号： 10056629（2020）05007302

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

目前，关于过氧化氢分解实验选用不同催化剂的方案有很多，如王丽丽等[1]对二氧化锰粉末转化成颗粒状进行系列研究与设计。信云霞等[2]总结负载型金属、过渡金属氧化物以及非金属催化剂对双氧水分解反应的催化效果以及影响因素。许亮亮团队[3]选用天然多糖海藻酸钠作为催化剂支架。宋盼等[4]尝试用硫酸亚铁等物质代替二氧化锰。而关于利用启普发生器制取氧气的研究主要是通过固定二氧化锰粉末来达到控制反应的发生和停止[5～7]。

1 问题的提出

教材中过氧化氢分解制备氧气的实验是使用粉末状二氧化锰，通过探究来认知催化剂的含义。实际教学中要证明反应前后催化剂质量保持不变，整个过程需进行过滤、洗涤、干燥、称量等系列操作，课堂上很难一气呵成。同时二氧化锰黑色粉末对气泡观察有干扰，实验现象不清晰。另外，粉末状二氧化锰作为催化剂制备氧气反应速率过快，不利于控制反应的进行，且回收再循环使用也不方便。

基于以上存在的问题需对该实验作进一步探究和改进。通过实验发现硬锰矿石对该反应也有良好的催化作用，能较顺利地验证催化剂的定义及其形成过程，有利于初三学生直观正确地理解催化剂含义，深入建立和认知催化剂概念模型。将硬锰矿石应用于启普发生器制取氧气，使催化剂可以重复使用。

2 实验探究

2.1 硬锰矿石对过氧化氢分解的催化活性试验

2.1.1 仪器和试剂

仪器： 托盘天平、大试管（2支）、量筒、胶头滴管、火柴、滤纸、镊子

试剂： 体积分数为15%的过氧化氢溶液、块状硬锰矿石（天津朝阳中兴矿业公司，条痕微褐黑色至黑色的结晶固体，质硬，脆。化学式mMnO·MnO2·nH2O，其中MnO2含量为60%～80%，MnO為8%～25%，还有微量的其他杂质。矿石大颗粒直径5～7cm，表面夹杂干黄泥等杂质，需要反复浸泡，清洗，干燥，敲打成小颗粒状用于实验。实验后形状不改变，也不溶解于水）

2.1.2 操作步骤和现象

（1） 在两支大试管中各加入10mL体积分数为15%的过氧化氢溶液，用带火星的木条插入到试管中检验，都不复燃。

（2） 向其中一支试管中加入一颗质量为3.2g硬锰矿石（见图1）。反应非常剧烈，产生大量气泡，溶液澄清透明，没有白沫，试管外壁发热，用带火星的木条放在试管口检验，木条立即复燃。

（3） 反应一段时间后，用镊子取出硬锰矿石，用滤纸吸干表面的水，电吹风吹干，冷却后再次称量，质量仍然是3.2g。

（4） 将此称量过的硬锰矿石再次投入到另一支盛有10mL体积分数为15%的过氧化氢溶液中，观察;反应剧烈，同样产生大量气泡，溶液澄清透明，没有白沫，将带火星的木条放在试管口，木条立即复燃。

2.1.3 解释及结论

通过实验发现，反应前后硬锰矿石的质量和性质保持不变，因此硬锰矿石具有良好的催化活性，可以作为过氧化氢分解制备氧气的催化剂，还能反复使用。

2.2 硬锰矿石用于启普发生器催化过氧化氢分解制备氧气实验

2.2.1 仪器和试剂

启普发生器1套（带导气管）、镊子、体积分数为15%的过氧化氢溶液、颗粒状硬锰矿石

2.2.2 操作步骤和现象

（1） 组装启普发生器。

（2） 关闭启普发生器导气管上的活塞，向球形漏斗口加水，静置后启普发生器漏斗里的水面高度维持不变，证明装置气密性良好。

（3） 倒掉水，将仪器横放，把硬锰矿石颗粒由中部容器上口中加入，然后正放仪器，再将导气管的活塞关闭。接着由环形漏斗口加入H2O2溶液，至浸没容器中的固体颗粒，打开活塞会有气泡冒出（开始排出的是空气）。

（4） 使用时，打开导气管活塞，观察到H2O2溶液由球形漏斗流到底部容器，再上升到中部容器与硬锰矿石颗粒接触发生反应，产生大量O2从导气管放出，即可用排水法收集气体备用。

（5） 不用时，关闭导气管的活塞，溶液与硬锰矿石脱离接触，反应即自行停止。

2.2.3 实验装置示意图

实验装置示意图见图2。

2.2.4 解释及结论

启普发生器中加入洁净的硬锰矿石小颗粒作为过氧化氢分解的催化剂，有利于固液分离，并可及时控制反应的发生或停止。

3 实验创新的意义

选用硬锰矿石颗粒代替二氧化锰粉末进行实验，有利于称取反应前后的质量，建立催化剂定义的认知模型;使用颗粒状硬锰矿石作为催化剂，方便应用于启普发生器制备氧气，且使用后可回收再利用，整个实验具有更直观、简洁、方便、环保等优点。本探究的创新改进，为教师提供了有效的教学手段和实验方案，使认识催化剂和催化作用这个教学难点迎刃而解，较好地落实了“科学探究与创新意识”的学科素养培养。

参考文献：

[1]王丽丽， 吴暾艳， 张艳华， 谭宗俊. 过氧化氢催化分解制备氧气的实验改进研究[J]. 化学教学， 2019， （6）： 73～75.

[2]信云霞， 张帆， 贾学五， 吕志果. 过氧化氢催化分解研究进展[J]. 石化技术， 2017， （6）： 50～51.

[3]许亮亮， 陈懿， 姚禹， 闵凯文. 海藻酸钠微球催化过氧化氢分解实验的研究[J]. 化学教学， 2018， （2）： 79～82.

[4]宋盼， 杨文远. 过氧化氢催化分解制取氧气实验的探究与改进[J]. 教育教学论坛， 2013， （38）： 246～247.

[5]黄廷丽. 自制小型启普发生器制氧气[J]. 实验教学与仪器， 2016， （S2）： 71～71.

[6]江华林. 用启普发生器制氧气[J]. 中小学实验与装备， 1999， （1）： 21.

[7]隽桂才. 用启普发生器制取氧气[J]. 化学教学， 1989， （5）： 26.