谁让过氧化氢加速分解

谁让过氧化氢加速分解

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来源：《发明与创新·中学生》 2019年第7期

过氧化氢是一种新型环保能源,可用作火箭发动机推进剂、新型汽车发动机燃料等,但由

于其性质不稳定,在保存和使用中易受外界因素影响而分解,导致其实际利用率大大降低。因此,

研究影响过氧化氢分解反应速率的因素显得尤为重要。

过氧化氢在常温常压下会自行缓慢分解成水和氧气。中学化学教材中一般使用二氧化锰

作为催化剂,并且很少考虑到其他影响因素。事实上,影响过氧化氢反应速率的因素有许多,正是

这些因素使过氧化氢在作火箭发动机推进剂、新型汽车发动机燃料时会造成浪费。

一些文献中曾提到,有些金属离子能催化过氧化氢,但并未做详细的调查。我推测还有更

多的物质对过氧化氢有催化作用。在检索文献资料的基础上,我通过大量实验,分析并总结出过

氧化氢催化剂的特性,以及其他影响过氧化氢分解反应速率的因素。

一、实验器材

各种规格的烧杯、试管,药匙,玻璃棒,托盘天平,水浴加温装置,温度计,气球,秒表。

二、实验试剂

30%过氧化氢(H2O2)、硫酸铜(CuSO4)、氯化铜(CuCl2)、硝酸铜[Cu(NO3)2]、氧化铜

(CuO)、二氧化锰(MnO2)、高锰酸钾(KMnO4)、氯化铁(FeCl3)、硫酸亚铁(FeSO4)、三氧化二铁

(Fe2O3)、重铬酸钾(K2Cr2O7)、三氧化二铬(Cr2O3)、氧化钴(CoO)、碘单质(I2)、碘化钾(KI)、

氢氧化钙[Ca(OH)2]、氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、稀盐酸(HCl)、稀硫酸(H2SO4)、乙二

酸(草酸)(C2H2O4)、硼酸(H3BO3)、血液(含有过氧化氢酶)、土豆丝(含有过氧化氢酶)等。

三、实验过程

1.分解过氧化氢的催化剂种类

用托盘天平称量5g待测物质粉末,分别为硫酸铜(CuSO4)、氯化铜(CuCl2)、硝酸铜

[Cu(NO3)2]、氧化铜(CuO)、二氧化锰(MnO2)、高锰酸钾(KMnO4)、氯化铁(FeCl3)、硫酸亚铁

(FeSO4)、三氧化二铁(Fe2O3)、重铬酸钾(K2Cr2O7)、三氧化二铬(Cr2O3)、氧化钴(CoO)、碘单

质(I2)、碘化钾(KI)、血液、土豆丝等。

把5ml30%过氧化氢溶液倒入试管,在保证温度、气压等实验条件不变的情况下,将过氧化

氢和待测物质粉末混合,观察现象。如明显有气泡产生,则此物质可作为过氧化氢的催化剂。

2.影响过氧化氢分解速率的因素

(1)混合均匀程度

用托盘天平称量两份5g催化剂粉末(硫酸铜),把5ml30%过氧化氢溶液倒入2支不同的试

管,在保证其他实验条件不变的情况下,同时将两组催化剂粉末与过氧化氢混合,其中一组使用玻

璃棒搅拌。观察记录两组催化反应速率。

(2)温度

分别把5ml30%过氧化氢溶液倒入4支套上了气球的具支试管,放在水浴装置上,在保证其

他实验条件不变的情况下,按10℃为公差设置4个实验组。通过气球膨胀程度,观察记录各组的

反应速率。

(3)催化剂浓度

用托盘天平称量两份1g和5g催化剂粉末(高锰酸钾)并配成相同体积的溶液,把5ml30%

过氧化氢溶液倒入2支试管,在保证其他实验条件不变的情况下,同时将两组催化剂溶液与过氧

化氢混合,观察记录各组的反应速率。

(4)酸碱度

用氢氧化钙[Ca(OH)2]、氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、稀盐酸(HCl)、稀硫酸

(H2SO4)、乙二酸(草酸)(C2H2O4)、硼酸(H3BO3)分别配置8杯5ml不同酸碱度的溶液,把5ml30%

过氧化氢溶液倒入7支不同的试管。在保证其他实验条件不变的情况下,按次序分别混合。再向

第八个实验组同时加入碱和硫酸铜观察。记录不同实验组的反应速率。

四、实验结果

1.硫酸铜(CuSO4)、氯化铜(CuCl2)、硝酸铜[Cu(NO3)2]、氧化铜(CuO)、二氧化锰(MnO2)、

高锰酸钾(KMnO4)、氯化铁(FeCl3)、硫酸亚铁(FeSO4)、三氧化二铁(Fe2O3)、重铬酸钾

(K2Cr2O7)、三氧化二铬(Cr2O3)、氧化钴(CoO)、碘单质(I2)、碘化钾(KI)、血液、土豆丝都能

作为过氧化氢的催化剂。碘化钾(KI)在反应后生成了少量碘单质。

通过查询相关知识,我发现金属钯的一些化合物也能催化过氧化氢。

2.使用玻璃棒搅拌的实验组反应速率更快。

3.水浴温度较高的实验组反应速率更快,并且温度每升高10℃,反应速率可提高2至4倍。

4.催化剂浓度较高的实验组反应速率更快。

5.溶液呈碱性的实验组总体反应快于溶液呈酸性的实验组。与其他实验组相比,既加入催

化剂又加入碱的实验组反应速率明显快于前两个实验组,甚至会翻倍。

五、分析与结论

实验发现,钯、钴、铜、锰、铁、铬等变价过渡金属的化合物都对过氧化氢有催化作用,

并且都是变价金属离子,因此我推测:变价金属离子对过氧化氢有催化作用,且催化效果在一定程

度上随价态升高而升高。不过具体结论还需要进一步实验和讨论。

温度、酸碱度、浓度、反应物接触面积等因素都会影响过氧化氢催化反应的速率。在保

证实验条件不变的情况下,增大反应浓度可以加快反应速率,温度升高能加快反应,混合均匀程度

越高,反应物接触面积越大,催化速率越快。碱性环境下过氧化氢分解速率会加快,此时加入催化

剂会出现叠加效应。

由此观之,在设计制造以过氧化氢为燃料的火箭发动机、新型汽车发动机时,应避免使用

变价过渡金属材料,还应充分考虑光照、温度、酸碱度、浓度、接触面积等因素,避免在使用时

造成浪费。

过氧化氢酶是过氧化氢良好的催化剂。在使用以过氧化氢为燃料的火箭发动机、新型汽

车发动机时应保持环境干净,避免含有过氧化氢酶的物质侵入,造成过氧化氢的浪费。

碘单质或碘化钾等一些非金属物质也对过氧化氢有催化作用,因此在生产火箭发动机推进

剂、新型汽车发动机燃料时应避免接触碘单质、碘化钾等。