分解过氧化氢制氧气的反应中二氧化锰的作用实验改进

王海生 李焱 许九奎

摘要：将粉末状二氧化锰制作成“二氧化锰凝块”，并基于“二氧化锰凝块”设计学生实验活动，引导学生通过自主探究找到“改变反应速率”“质量不变”“化学性质不变”三个特征，从而帮助学生真正自主建构催化剂这一核心概念；用改进后的“二氧化锰凝块”进行实验，不仅提高了实验效果，还极大方便了二氧化锰的回收利用，充分体现绿色化学理念。

关键词：实验改进；二氧化锰凝块；催化剂；绿色化学

文章编号：1008-0546（2022）01-0095-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.023

人教版教材第二单元课题3“制取氧气”的内容中，在P38页的【探究】活动中通过实验引导学生认识并形成“催化剂”的概念时，使用粉末状二氧化锰进行实验，存在两个问题：一是过氧化氢溶液与二氧化锰粉末接触充分，反应剧烈，形成了黑色的二氧化锰悬浊液，不利于学生对实验现象的观察；二是由于反应后粉末状二氧化锰的分离需要经过过滤、洗涤、干燥等过程，用时长且操作繁琐，过程中还会有干燥方法的选择、二氧化锰附着在滤纸上等实际问题难以处理，故难以验证催化剂在“反应前后质量不变”这一特点，不利于学生充分理解并形成核心概念。

快速堵漏灵是一种凝结硬化快，小时强度高，具有微膨胀的水硬性材料，此原料无毒无味[1]；白乳胶的主要成分是聚乙烯醇，无毒，可以和水以任意比例互溶[2]，加入后可以使凝块更紧实，表面无颗粒脱落。

2.制作方法

为了解决上述2个问题，笔者一方面将粉末状二氧化锰制成“二氧化锰凝块”，便于验证催化剂“反应前后质量不变”的特点；另一方面基于“二氧化锰凝块”的改进，重新设计实验探究的过程，从而更好地引导学生通过实验探究，并基于证据推理形成催化剂这一核心概念。

一、“二氧化锰凝块”的制作

1.制作原料和器材

快速堵漏灵（卫生间漏水维修用的，如图1所示）、二氧化锰粉末、白乳胶、自来水、一次性塑料吸管（如图2所示）和电动牙刷。

（1）將二氧化锰粉末和堵漏灵按质量比1∶1混合均匀，加入适量水和白乳胶调和成糊状，由于堵漏灵的凝固速度很快，糊状物要有一定的流动性。

（2）将调和好的糊状物装入塑料模具中，凝固后，凝块不会与塑料粘连，能保持良好的外形。经多次探索比较，笔者将糊状物灌装入一次性塑料吸管的头部，凝固后的凝块性能优异。这样制作出的凝块外形类似胶囊，表面光滑，结块紧实，没有颗粒物脱落，有很强的抗外力能力，即使从1m高处掉落也不会破损。

（3）借鉴混凝土浇筑时振动棒的作用，灌装糊状物时要充分振动模具，排出混合物中的气泡，达到结块紧实的目的。振动时可以用手指弹，有条件的可以用超声波电动牙刷接触模具外壁，效果更佳。

（4）由于混合物的膨胀率不高，将装入模具中的混合物阴干、晾干均可，24小时即可硬化脱模。脱模时只需要撕掉表面的塑料模具，再用砂纸打磨部分边角，形似胶囊的“二氧化锰凝块”（如图3所示）就制作完成了。

二、基于“二氧化锰凝块”的实验过程及说明

1.实验过程

按图4所示方案进行实验。实验后，通过对比步骤①③认识催化剂“可加快反应速率”的特点，通过对比②④认识催化剂“反应前后质量不变”的特点，通过对比③⑤认识催化剂“反应前后化学性质不变”的特点。

2.实验说明

（1）关于过氧化氢浓度的选择

人教版教材实验中用的是5%的过氧化氢溶液，由于“二氧化锰凝块”与二氧化锰粉末相比，接触面积相对较小，故将过氧化氢溶液的浓度提高到10%，可使产生氧气速率适中。

（2）关于“二氧化锰凝块”尺寸

制成的“二氧化锰凝块”为胶囊状，圆柱体直径约1cm，长4cm，能很好的装入试管中，用试管完成实验时只需要一粒“二氧化锰凝块”，用锥形瓶大量制氧气时可用多粒“二氧化锰凝块”。

（3）干燥方法的选择

若用干燥的“二氧化锰凝块”进行实验，实验后取出的凝块需要用水冲洗，然后用电热吹风机吹干，但彻底吹干耗时较长。所以笔者采用“吸附饱和法”，实验前先将“二氧化锰凝块”在水中浸泡（5分钟即可），使其充分吸附水分，取出后用吸水纸（过滤用的滤纸即可）吸干表面水分，装入试剂瓶备用。

实验时先称量预处理过的备用“二氧化锰凝块”的质量m1，实验后取出“二氧化锰凝块”用水冲洗，然后用吸水纸吸干表面水分后，再次称量“二氧化锰凝块”的质量m2，可以很好地验证出“二氧化锰在反应前后质量不变（即m1=m2）”的结论。该方法操作简便，耗时短，实验效果好。

（4）对比验证“二氧化锰凝块”的催化效果

考虑到“二氧化锰凝块”中含有堵漏剂和白乳胶，为了设置对照证明二氧化锰的作用，笔者用相同的方法制作了堵漏剂和白乳胶的混合物凝块（如图5所示），并进行了图6所示的对比实验，发现：“二氧化锰凝块”与过氧化氢溶液作用时产生大量气泡，而“混合凝块”与过氧化氢溶液作用时只在表面产生极少量细小气泡。

三、实验改进的优点

本实验中将二氧化锰粉末制作成“二氧化锰凝块”进行实验，主要有如下几个优点。

1.使用“二氧化锰凝块”进行实验，反应速率适中，且未形成黑色的二氧化锰悬浊液，便于观察实验现象。

2.使用“二氧化锰凝块”催化分解过氧化氢溶液制取氧气时，可用启普发生器或图7所示的“类启普发生器”装置，实现制氧气时可随时控制反应的发生和停止。

3.使用“二氧化锰凝块”替代二氧化锰粉末进行实验，对人教版教材的探究活动作了很好的补充，使学生在实验过程中真实地认识到了“催化剂在化学反应前后质量不变”这一特点，从而完善并深化了学生对催化剂的认知。

4.使用“二氧化锰凝块”替代二氧化锰粉末进行实验，极大地方便了二氧化锰的回收，进而真正实现了二氧化锰的再利用，更符合绿色化学理念。

参考文献

[1]快速堵漏剂[360百科].https：//baike.so.com/doc/6826973-7044162.html，202009.

[2]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.