运用数字化实验探究二氧化锰催化双氧水的最佳条件

严晓玲 陈超

摘要：本探究实验以沪教版教材九年级《化学》上册内容提供的双氧水制取氧气的文本材料为情境切入，对催化剂的最佳载体和过氧化氢的合适浓度进行最优化选择，对初中化学实验教学的切实开展有很好的启示作用。

关键词：最佳载体；合适浓度；实验教学

文章编号：1008-0546（2022）12x-0079-02

中图分类号：G632.41

文献标识码：B

doi： 10.3969/j .issn.1008-0546.2022.12x.019

一、问题的提出

无论是人教版还是沪教版教材，都有二氧化锰催化双氧水制氧气的相关实验，已有许多相关研究。[1，2]从理论上说，该实验在常温下进行，无需加热；产物为水和氧气，非常环保，操作也很简单；可以利用分液漏斗调节反应速率，二氧化锰还可以重复使用，节省时间和原料，深受老师们的喜欢。教材上简单地用几句话描述了该实验：在试管中加入5 mL过氧化氢（双氧水），再向试管中加入少量二氧化锰，然后用带火星的木条试验，带火星的木条复燃，说明有氧气产生，可以用这一方法制取氧气。然而，在实际教学中，用约3%的双氧水（医用），一是产生氧气的速度较慢，二是产生氧气的量较少，若要制取几瓶氧气，需要较多3%的双氧水才能完成；化学试剂商店出售的双氧水，一般都是30%，用来制取氧气，因为濃度较高，产生氧气的速度太快，不好控制实验过程，也不利于实验的开展。也就是说，用3%和30%的双氧水，都不是最理想的选择。除此之外，用来做催化剂的二氧化锰是一种粉末状的物质，直接和双氧水接触时，接触面积很大，使反应速率太快不便收集；最重要的是，用过之后不便回收，不仅造成了很大的浪费还污染了环境。在整个实验过程中，形成的是黑色悬浊液。作为一个演示实验，其科学性不仅仅要表现在对科学事实的验证，更重要的是要有利于学生从演示实验的观察中获得明确的现象和结论。因此，科学地设计这个实验就显得非常重要。

二、探究目的

1．探究二氧化锰催化双氧水时的最佳负载方式；

2．探究得到平稳氧气流所用双氧水的合适浓度。

三、探究仪器及试剂

朗威DISLab8.0数据采集器、氧气传感器、计算机、秒表、锥形瓶、导管、集气瓶（250 mL）、酒精灯、烧杯、三脚架、蒸发器、30%双氧水（后稀释成不同浓度）、二氧化锰、高锰酸钾、水。

四、探究思路

1．利用不同的载体负载二氧化锰进行实验，比较催化剂存在方式；

2．利用不同浓度的双氧水进行实验，比较反应的速度。

五、探究方案

1．寻求二氧化锰的最佳载体

粉末状的二氧化锰和过氧化氢溶液接触导致反应剧烈，出现黑色悬浮物随气流不断翻滚的现象，学生不易观察到气体从二氧化锰粉末表面析出，反应在催化剂表面进行这个现象；其次，粉末状的二氧化锰在和过氧化氢溶液接触过程中反应剧烈，放出的热量也多，在5 mL 10%的过氧化氢溶液中加入0.2 g的二氧化锰，放出来的热量可以使温度瞬间上升至五十多度。如果让学生动手操作，有一定的安全隐患；实验结束之后，为了对比二氧化锰在反应前后质量是否改变，还需要将二氧化锰回收并干燥称量。通常情况下，一般用两种方式：第一种是过滤、转移和烘干，这种回收方式的弊端是消耗时间长，在转移时，又有一部分二氧化锰粉末粘在滤纸上，无法完全转移到蒸发皿中，损失比较大；第二种方式，就是把反应后的混合液全部转移到蒸发皿中进行蒸发，同样存在着耗时长和损失大的缺点。为了回避这些缺点，我们尝试了多种方案，见图1和图2：

（1）过滤袋负载：将二氧化锰装在过滤袋中进行实验；

（2）橡皮泥负载：将二氧化锰负载在橡皮泥上，并搓成大小合适的“二氧化锰球”进行实验；

（3）水泥球负载：将二氧化锰与适量的水泥混合，压成片状，待凝固后进行实验；

（4）砖块负载：取适量的高锰酸钾溶液，将砖块浸没其中10-15 min后取出，对砖块进行充分灼烧，冷却并进行充分洗涤后用于实验。

为了避免反应速度太快不便观察和记录数据，首先选择向浓度为3%的双氧水溶液中加入不同负载的二氧化锰，记录催化剂在双氧水溶液中的实验现象：

（图1、图2均为从左至右：无二氧化锰、橡皮泥负载、过滤袋负载、水泥负载、砖块负载、无负载）

记录实验的现象，见表1。实验表明，用砖块负载二氧化锰效果最好。

2．寻求双氧水的最佳浓度

选择不同浓度的双氧水溶液，再利用砖块负载的二氧化锰进行一系列实验，见图3、图4，并用传感器（朗威牌氧气传感器）进行检测。首先检测到空气中氧气的含量为20.9%。

用不同浓度的双氧水分别用排水法和排空气法收集氧气，所得结果记录于表2和表3中。

六、数据分析

1．本实验测得空气中氧气的体积分数为20.9%，这与传感器的精确度有关；本实验使用的是同一氧气传感器，属于系统误差，不影响整个实验的数据比较。

2．通过表1可发现二氧化锰进行催化双氧水的最佳负载方式；综合表2的收集时间和得到的氧气浓度，发现，双氧水浓度越大，反应速度越快。尤其是双氧水的浓度达到15%后，反应速度特别快，比较危险，故实验时，双氧水的浓度在10%比较合适；但即使浓度不同，最终收集的氧气的浓度差距并不是非常大。由于双氧水浓度不同，在反应过程中速度不同，以及反应产生的热量不同等错综复杂因素的影响，使得氧气中含水量不同。如果条件允许，下阶段我们将继续探究经干燥后氧气浓度的测定。

3．同时，我们也意外地发现了，利用双氧水制氧气无论是向上排空气法，还是排水法收集，都无法得到100%的氧气。

七、解释及建议

我们采用了生活中常见的材料砖块作为载体，价格比较便宜，贴近学生生活，实验的操作性强，对比也很明显；利用砖块的吸附性（多孔）来吸附高锰酸钾，再借助高锰酸钾加热分解产生的二氧化锰具有大的表面积，可有效地提高二氧化锰的催化效率，再加上砖块对于过氧化氢本身也具有一定的催化作用，负载后作为一种复合型催化剂，它的催化效果非常好；另外，砖块的质量较大，体积也较大，很容易从反应后的混合物中分离出来；选择浓度为10%的双氧水进行实验，速度适中，反应平稳，节约了课堂的时间，提高了课堂的效率，为开展学生分组实验探究二氧化锰的催化作用创造了便利条件。

参考文献

[1] 于以哲．关于用双氧水制氧气的探究[J].教学实践，2013（07）：31-32．

[2]秦敏．基于教材文本的探究性实验教学探索——以《再探双氧水制氧气》为例[J]．试题与研究，2019（09）.