促进H2O2,分解的各类催化剂的实验探究

促动H2O2 分解的各类催化剂的实验探究
一、实验目的
我们知道，往过氧化氢中加入二氧化锰，其分解速率会大大提升，这主要是催化剂（二氧化锰）的功劳。

那么，除了二氧化锰外，还有什么物质也能起到催化作用呢，不同催化剂的催化原理是否相同呢，其催化作用对实验环境有何要求呢？为此，我们利用手持技术设计了相关实验，从定量的角度探讨了不同类型和浓度的催化剂对过氧化氢反应速率快慢的影响，以揭示促动过氧化氢分解的催化剂的神秘面纱。

二、实验原理
H2O2分解的表观反应为：2H2O2→2H2O + O2↑，温度、溶液浓度、催化剂等对这个分解过程均有不同水准的影响，本实验中着重分析催化剂这个因素的影响。

H2O2分解的催化剂有两类，一类是我们所熟悉无机催化剂（如二氧化锰），另一类就是生物酶（过氧化氢酶）。

H2O2同时具有氧化性和还原性的特点，所以在有可变价态金属（如二氧化锰、氧化铜、Fe3+、Fe2+）存有的情况下，过氧化氢可交替与金属发生氧化反应和还原反应，最终结果为过氧化氢被催化生成H2O和O2，而金属离子不发生变化。

例如：MnO2催化过氧化氢：
MnO2被H2O2还原成Mn2+，同时H2O2被氧化产生O2，但Mn2+又可被
氧化为MnO2，同时H2O2被还原成H2O，因而在反应前后似乎没有什么变化，
如此往复循环，使反应得以继续实行。

另一方面，生物体中也存有催化过氧化氢分解的催化剂：过氧化氢酶。

过氧化氢酶是分子量约25万的血红素铁蛋白，分子结构中包含四个Fe（Ⅲ）
原卟啉基团。

血红素中心的3价铁与卟啉的4个吡咯环上的N原子形成4个
配位键,与血红素平面的近侧(朝向四聚体核心的一侧)Tyr的酚羟基形成第5
个配位键。

过氧化氢酶广泛存有于生物组织中，具有催化分解H2O2为H2O
和O2的功能。

很多植物如蓖麻子，番茄，菠菜，玉米，棉花等中存有着不
同数目的CAT同工酶，少的有2种，多的达数10种。

酶催化反应的机理为：反应中酶的血红素卟啉环(Por)和铁先被
H2O2氧化，生成Por·+ - Fe Ⅳ= O(大亚基酶) 或Por - FeⅣ-OH(小亚基
酶),称为化合物Ⅰ(Cpd Ⅰ)。

接着这个处于氧化状态的酶把另一分子H 2O 2氧化,产生原来的酶,水和O 2。

H 2O 2+H 2O 2
2H 2O+O 2
H 2O 2分解的过程中有氧气生成，实验中能够通过检测放出气体的速率来判断反应实行的快慢。

因为当H 2O 2分解反应在定容密闭容器中实行时，随着反应的实行，气体浓度增加，容器内压强随之增大。

使用压强传感器测量并记录压强随时间变化的数据，从而能够绘制压强—时间的曲线，通过线性拟合后得到的直线的斜率能够判断反应速率的快慢。

曲线斜率越大，反应速率越快，反之，越慢。

三、实验仪器及药品
探世界万能数据采集器、气压传感器（0~700kpa ）、电子天平、10mL 移液管、磁力搅拌器、塑料注射器（5mL ）、锥形瓶(250mL)、橡皮塞、量筒、研钵、100mL 烧杯
30％H 2O 2溶液、蒸馏水、MnO 2粉末、CuO 粉末、黄瓜，青菜，生菜，苋菜，西红柿，土豆，牛奶，猪肝，苹果、酱油、白醋
四、实验装置图
五、实验步骤
(1）如上图连接好仪器，用真空硅脂密封好橡皮塞及打孔处，确保其气密性；
（2）取10mL30％H 2O 2溶液与50mL 蒸馏水混合配制成约5%的H 2O 2溶液，密封装好待用；
（3）分别将黄瓜、青菜、菠菜等榨成汁，密封装好备用；
（4）开启和设置数据采集器：端口1连接气压传感器；数据采集速率：1/s ；采集总量：持续；显示模式：table ；
（5）根据研究需要将不同物质放入锥形瓶中，再加入4mL 蒸馏水和搅拌磁子，将一注射器中的空气排空，另一注射器吸入2mL 配好的H 2O 2溶液，安装备用；
（6）开启磁力搅拌器，用中速采集，同时开启数据采集器，待读数稳定后，用另一注射器从锥形瓶中抽出2mL 气体，同时注入2mLH 2O 2溶液，采集数据。

待反应完全,数据稳定后，停止实验；
铁卟啉配合物
（7）将采集到的数据导入电脑，得到反应前后压力随时间变化曲线图。

取开始反应到气压基本不变一段的数据实行线性拟合处理，可求得分解反应的动力学方程。

六、实验数据与结果分析
（1）不同质量的MnO2粉末作为催化剂
依次取MnO2粉末0.05g、0.08g、0.1g，按上述实验步骤实行实验。

反应趋势和动力学方程分别见图1和表1。

图1 不同量的MnO2对H2O2分解速率的影响
比较图1中各曲线，结合反应速率常数，表明随着催化剂MnO2的量的持续增大，产生氧气的速率也持续的加快，即加快了过氧化氢溶液的分解。

（2）生活中的物质作为催化剂
图2 生活中的不同物质对H2O2分解速率的影响
实验结果表明猪肝、土豆汁、生菜汁、青菜汁、苋菜汁、蚕豆汁、西红柿汁作催化剂时均可催化H2O2的分解，而牛奶几乎没有催化效果。

结合图2和表2能够看出不同的生物体汁液对H2O2溶液的催化效果不同。

因为起作用的主要是过氧化氢酶，从中能够认为不同生物体中所含过氧化氢酶的量不尽相同且差别较大。

为了进一步验证这个设想，生菜汁为例，对其加热前后（生菜汁加热一段时间后冷却到室温）的催化作用实行对比实验。

其反应情况和动力学方程可见图3和表3。

图3 催化剂加热前后对H2O2分解速率的影响
实验结果表明：生菜汁加热后催化效果大幅将低，说明过氧化氢酶失活，使其丧失催化活性，几乎不能催化H2O2分解。

由此验证了原先的假设，即反应速率与不同催化剂中所含的过氧化氢酶的量相关。

（3）食品调料对H2O2 分解的催化分析
图4 各种食品调料对H2O2分解速率的影响
表
实验结果表明：青葱汁、辣椒汁、蒜头汁、生姜汁作催化剂时均可催化H2O2的分解，催化速率：青葱汁>生姜汁>辣椒汁>蒜头汁，酱油、白醋几乎没有催化作用。

其原因也在于几种作料中所含的过氧化氢酶的量不同。

七、实验创新之处
（1）实验装置方面的改进。

本实验将学生熟悉的过氧化氢分解实验与手持
技术相结合，不但有利于提升学生的实验兴趣，而且定量化、清晰化、直观化和可控化的实验过程有利于学生更深层次的理解该反应的本质。

学生在掌握化学知识的同时，也学会了探究化学世界奥秘的一种更为有效的途径和方法。

（2）实验设计方面的创新。

从学生极为熟悉的二氧化锰作为催化剂入手，
引出生活中常见物质作为催化剂并实行一系列相关实验探究。

知识的有效性在于它能否应用到实际情况生活中的一些详细问题中。

本实验中增加的食品调料这部分物质对H2O2分解速率的影响，这部分内容旨在协助学生除了学会利用生活的物质实行科学研究，还能用研究的结果解释和解决生活中的一些详细问题，同时更重要的是启发学生注重生命健康。

双氧水除了作杀菌、漂白之用外，国家食品标准也允许将H2O2 用在食品加工业中，尤其在豆类加工制品（例干丝等）及面制品等食物中。

残留在食物中的H2O2对人的健康是有害的，但日常饮食中难免会摄取一些含有过氧化氢的食物，那么实验中比较的几种物质所含过氧化氢酶的多少能够给生活中的健康饮食提供一些感性理解。

同时结合过氧化氢酶的特点，能够比较东西方饮食文化习惯的差异等问题，真正的将化学与生活相联系，学以致用。

（3）学科知识之间的联系。

将过氧化氢酶也能催化H2O2 分解这个知识点
融入其中，让学生比较各种含有过氧化氢酶的瓜果蔬菜催化H2O2 分解的速率快慢，来体会生物与化学的共通之处，从而增强了多学科之间的联系，有利于学生知识之间的相互融会贯通。

（4）研究性学习课题的丰富。

本实验来源于书本中学生所熟悉的知识，但
同时在这个基础上加以拓展研究，能够作为研究性学习的课题让学生展开实验探究。

将先进的信息技术和身边熟悉的物质与已有的化学学科知识较好地融为一体，在提升学生学习化学的兴趣的同时，让学生领悟实验设计的方法。

通过催化速率的比较得出各种物质所含的过氧化氢酶的多少，把无机催化剂和生物酶实行对比和分析的方法等；另外，还可指点学有余力的学生进一步深入去讨论催化的反应机理，充分激发学生的求知欲，引领学生对科学实行更深入的探究。

所以，该实验设计能够满足不同层次的学生的需要，老师能够结合学生情况对学生作出不同的要求，让学生在自己现有的水平都能有所发展。

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