学生姓名 学 号
专 业 实验小组
小组成员 实验时间 年 月 日
一.探究问题提出
该实验内容涉及到化学必修二第三节 化学反应的速率和限度 以及选修四第二章第二节 影响化学反应速率的因素 的相关内容。
选择该课题的原因在于该知识点在中学化学中是一个很重要的知识点，对当中的某些因素进行探讨有利于学生对知识点的掌握。另外，在实验中，我们可以根据不同种类的催化剂的性质选择不同种类的催化剂满足实验要求。在提倡绿化学的今天，我们要尽可能使用少的试剂来制备更多的产物，使产率最大化。
但是进行该实验的时候，选修四书上比较速率的方法有所欠妥：用带火星的木条检验氧气生
成的快慢。带火星木条复燃的成功率并不高，而且我们是不能用肉眼明显分辨出速率的快慢，可以看出实验结果的说服力不强，而中学化学实验是学生直观、近距离接触化学的重要途径，其科学性与实验设计的规范性需引起重视。针对以上不足，我们对这个实验进行改进。
二.问题解决设想
1. 为了便于学生观察，使用排水法进行测量气体的体积，进而比较速率快慢。
2．为了更好体现反应速率的快慢，采用秒表计时，测定反应所用时间。
三．实验设计方案
1.实验目的
①通过控制反应条件，包括催化剂的种类和过氧化氢的浓度，从而探究用过氧化氢制备氧气的最优条件；
②通过实验加深对催化剂功能的认识；
③通过收集分解产生的氧气，获得定量测定气体体积的技能；
④通过设计不同条件对实验结果的影响，曾强实验探究意识和探究技能。
2.实验原理
过氧化氢具有过氧键，-O-O-中O不是最低氧化态，故不稳定，容易断开。常温下波长为320～380nm的光照射，或是加热，使用催化剂都可以加速过氧化氢的分解。光照速度太慢，加热浪费能源，而分解速率不稳定，所以寻一种合适的催化剂便更加重要。过氧化氢的催化原理主要有以下几种：
a.氧化重金属氧化物或金属盐，生成的物质立刻分解放出氧气。
例：H2O2+MnO2=H2MnO4
H2MnO4+ H2O2= MnO2+O2↑+2H2O
b.过氧化氢在碱性条件下容易分解为氧气和水，氢氧根使溶液显碱性，利于过氧化氢的分解。
由于可溶性碱普遍有较强腐蚀性，难溶性碱不稳定且成本较高，故一般不采用此做法。
难溶性碱 | 氢氧化铜 | 氢氧化铁 | 氢氧化镁 |
价格（元/500g） | 66.7 | 46.3 | 100 |
c.过氧化氢酶的催化。
由于过氧化氢酶不易回收，成本较高，受活性影响严重，所以一般不采用此种做法。
因此探究第1种情况下的催化剂，我们选取了中学实验室常见的几种物质进行探究：
金属氧化物：MnO2、Fe2O3、CuO
多孔活性物质：活性炭
下面是这些物质的物理性质：
金属氧化物 | ||||
物质 | 二氧化锰 | 三氧化二铁 | 氧化铜 | 活性炭 |
性状 | 黑灰粉末 | 红粉末 | 黑粉末 | 黑粉末 |
密度（103kg·m-3） | 5.02 | 5.24 | 6.31 | / |
| 张馨予素颜出镜 价格（元/500g） | 62 | 25 | 66 | 40 |
反应方程式：2H2O2 = 2H2建行金卡年费O ＋ O2
催化剂是一种可以改变反应速率而本身不发生化学反应的物质，它的使用能够改变反应途
径，降低反应的活化能。过氧化氢分解氧化剂主要是一些内部有形状不规则、互相贯通的孔道的颗粒，这些催化剂的比表面积较大，表面吉布斯自由能较大。过氧化氢本身不稳定其吉布斯自由能很大，因此加入催化剂后总能量越过能垒，分解加快。
氧气在水中的溶解度很小，所以可以用排水法来测定氧气的体积。
3.实验仪器与试剂
（1）.仪器
铁架台（试管夹），支试管，胶塞，导管，锥形瓶，药匙，量筒，台秤；
（2）.试剂
过氧化氢溶液（1%、2.5%、5%、10%、15%），二氧化锰，氧化铜，氧化铁，活性炭，0.1mol/L氯化铁溶液，0.1mol/L硫酸铜溶液。
4.实验探究的具体步骤与实验装置图
（1）.实验装置
（2）．实验步骤
.探究催化剂种类对过氧化氢分解速率的影响
a.在支试管中先加入约10mL5%的过氧化氢，加入0.1g二氧化锰，迅速塞上胶塞，用排水法收集产生50mL氧气所用时间；
b.在其他条件不变的情况下分别加入等质量的氧化铁、氧化铜、活性炭，以及1mL0.1mol/L氯化铁溶液和0.1mol/L硫酸铜溶液重复上述步骤。
c.记承天寺夜游翻译文实验记录表1：
表1
催化剂种类 | 二氧化锰 | 氧化铁 | 氧化铜 | 活性炭 | 硫酸铜 | 氯化铁溶液 |
现象记录 | 怪盗基德最帅的图片反应剧烈，产生大量气泡 | 反应缓慢，只有少量气泡产生；反应一段时间后，有水柱上升，但不能排出 | 反应更缓慢，少量气泡产生；反应一段时间后，有水柱上升，但不能排出 | 反应最缓慢，少量气泡产生；反应一段时间后，有水柱上升，但不能排出 | 溶液由蓝变为黄 | 溶液由黄变为棕，刚加入催化剂时无气泡产生，一段时间后缓慢产生气泡 |
时间（s/50mL） | 4s/50mL | 264.69s/20mL | ||||
平均速率（r/mL/s） | 12.5 | 0.0756 | ||||
d.实验结果分析：
通过前四组平行实验的实验现象可得出,室温和同条件下催化剂的催化效果为：二氧化锰＞氧化铁≈氧化铜＞活性炭，二氧化锰的催化效果是最明显的。
查阅文献可知，活性炭作为过氧化氢分解催化剂时反应应该是很剧烈的。但在本实验中活性炭的催化作用没有体现，可能原因是活性炭暴露在空气中的时间太长失效了，因为活性炭易吸附临界温度高的气体，比如二氧化碳，若活性炭的表面吸附了二氧化碳，其催化能力就会丧失。微量金属(铁，铜，锰等)氧化物固体催化剂颗粒都为多孔结构，可作为过氧化氢分解反应的催化剂，探究得出氧化铁和氧化铜这两种催化剂的催化性能不如二氧化锰，这两个实验在反应初的分解速率较慢，由于反应放热，到后期温度升高，速率加快，催化效果与二氧化锰相当。但在本实验中，因为用15%过氧化氢加二氧化锰反应十分剧烈，一加入二氧化锰就有液体飞溅，使我们无法操作，故改用5%的过氧化氢，这可能导致了氧化铁和氧化铜作催化剂时，反应一段时间后反应速率仍然没有太大的变化，又由于时间限制和反应装置有限，没有让反应继续，故无法很好的得出实验结果。
由于氧化铜，氧化铁，活性炭的实验现象非常不明显，又追加了两组实验。得出0.1mol/L
氯化铁溶液做催化剂时，反应现象明显，速率适中，比二氧化锰的催化效果是差一些。
②.探究过氧化氢溶液浓度对其分解速率的影响
A．0.1g二氧化锰作催化剂
a.在支试管中加入0.1g二氧化锰和10mL1%过氧化氢溶液，塞上胶塞，用排水法收集30mL的氧气，记录所需时间；
b.在其他条件不变的情况下分别加入10mL浓度为5%、2.5%的过氧化氢溶液，重复上述步骤。
c.实验记录表2：
表2
过氧化氢浓度 | 5% | 2.5% | 1% |
现象记录 | 反应十分剧烈，产生大量气泡，放出大量热 | 反应剧烈，产生大量气泡，放出大量热 | 反应较温和，产生大量气泡，放出大量热 |
时间（s/30mL） | 1.38s | 6.88s | 11.46s |
平均速率（r/mL/s） | 21.74 | 4.36 | 2.62 |
d.实验结果分析：
通过这些平行实验得出,室温、二氧化锰作催化剂和同条件下不同浓度的过氧化氢的分解速率大小为：5%＞2.5%＞1% ，既过氧化氢的浓度越高，分解速率越快。
B. 0.1mol/L氯化铁溶液作催化剂
a.在支试管中加入0.1g二氧化锰和10mL1%过氧化氢溶液，塞上胶塞，用排水法收集30mL的氧气，记录所需时间；
今日立秋具体时间b.在其他条件不变的情况下分别加入10mL浓度为5%、2.5%的过氧化氢溶液，重复上述步骤。
c.实验记录表3：
表3
过氧化氢浓度 | 5% | 15% | 20% |
现象记录 | 溶液由黄变为棕，刚加入催化剂时无气泡产生，一段时间后缓慢产生气泡 | 溶液由黄变为浅棕红，加入催化剂后产生气泡的时间间隔变短 | 溶液由黄变为棕红，加入催化剂后马上有气泡产生 |
时间（s/20mL） | 264.69s | 56.56s | 44.37s |
平均速率（r/mL/s） | 0.0756 | 0.354 | 0.451 |
d.实验结果分析：
通过这些平行实验得出,室温、0.1mol/L氯化铁溶液作催化剂和同条件下不同浓度的过氧化氢的分解速率大小为：20%＞15%＞5% ，既过氧化氢的浓度越高，分解速率越快。
五、相关问题探讨
1.实验结论：
本实验为探究影响探究过氧化氢分解的最优条件，我们主要探究了室温条件下催化剂种类和过氧化氢浓度对分解速率的影响。由于实验仪器和时间限制，以及实验药品等等问题的影响，我们探究得出的结论如下：
对于过氧化氢的分解反应，二氧化锰的催化效果最为明显，过氧化氢浓度越大，其分解速率越大，适用于制备氧气。
0.1mol/L氯化铁溶液的催化效果适中，过氧化氢浓度越大，其分解速率越大。
2.实验过程中遇到的问题：
①在刚开始的实验中，我们小组还采用了另一组实验装置，在大试管上联一个滴液漏斗，将催化剂加入大试管中，用滴液漏斗加入过氧化氢，但由于二氧化锰作催化剂时反应剧烈，一滴入过氧化氢就有气体生成，使过氧化氢不能完全加入。故改用如图所示的实验装置图。
②原本想设计催化剂的用量在0.02g上下，但由于实验室只有台秤（精确到0.1g），只能将所有探究实验中的各试剂用量增加，但实验现象及结果不太理想。
③探究过程中相同实验条件下，现象重复不好。分析其原因可能有：a.实验操作人员不同造成误差 b.催化剂加入时有部分会粘在试管壁上，则每次加入催化剂的量并不相同造成误差，
由于实验仪器和时间限制，以及实验药品等等问题的影响,使实验现象不明显及实验结果不够准确。
3.个人反思：
通过本次实验，我觉得若想真正做好探究性或者改进装置的实验，在实验前要做好充足的
东莞理想家教网准备，尤其是要设计好实验方案。通过查阅大量文献，取其精华去其糟粕，并加上自己的思路，组员之间的讨论，不断完善方案。在实验过程中，操作要仔细认真，组员间合作要默契，并对实验现象做好记录。在实验后，对反常现象要及时总结反思，出问题根源，及时改进，再实验，最终才能得出最佳方案，达到满意的效果。
【参考文献】
[1] 刘小忠·化学反应速率实验的优化[J]·实验科学与技术, 2006, 6(3): 39
[2]彭艳芬，吴艳秋，柴冬梅·化学反应速率实验的改进[J]·池州学院学报， 2011, 12(25): 6
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