修改的二氧化锰催化分解氯酸钾制氧气的最佳配比的研究论文

二氧化锰催化分解氯酸钾制氧气
最佳配比的研究
（江志勇湖南师范大学化学化工学院 2007级 2007140239）
摘要：采用控制变量的方法探索当氯酸钾的量为定值时，催化剂二氧化锰的量对实验效果的影响，从而找出了促使氧气最快、最平稳产生的二氧化锰的用量。

得出中学实验室中加热分解氯酸钾制氧气实验中的氯酸钾和二氧化锰的最佳配比。

关键字：制取氧气、催化剂、平稳、最佳配比
Abstract：Using the method of control variables explores that the catalyst of manganese dioxide dosage has effects on the impact of experimental results when the dosage of potassium chlorate is the fixed value，in order to find out the amount of manganese dioxide which can promote to producing oxygen determine the fastest and most stable.From the experiment, we can find out potassium chlorate to produce oxygen ，hlorate and manganese dioxide the best ratio by heating decomposition in the experiment of middle school.
Keywords：Preparation of Oxygen、Catalyst、Smooth、Best ratio
1.前言：
在中学化学教学实验中,一般都是以氯酸钾和二氧化锰的共热来制取氧气。

其中二氧化锰是催化剂,在反应前后的质量和化学性质都不变。

但是，二氧化锰与氯酸钾按多少比例混合加热，放出氧气的时间最适合教师的收集，并且二氧化锰的催化作用又快又平稳？为了寻找氯酸钾和二氧化锰的最佳配比，我们采用控制变量的方法来探寻。

实验中我们以氯酸钾的量为定值，通过改变催化剂二氧化锰的量对实验效果的影响来进行研究。

首先，对于选择氯酸钾的量，要保证
能够放出足量的氧气。

其次对于二氧化锰的量的控制，采选各个比值的点，进行对比实验，收集各个比值点的实验效果，主要是指产生氧气的快,慢,产氧的速度是否均匀及产率等。

分析实验得出来的实验数据，找出放出氧气时间最合适，产气平稳的比值点。

也就是氯酸钾与二氧化锰的最佳比值。

2.实验过程
2.1实验目的：
①通过实验，找出氯酸钾和二氧化锰的最佳配比。

②熟练掌握制取和收集氧气的方法及规范操作。

③实习氧气制取演示实验的方法。

④初步探索制取氧气实验的最佳方案（试剂的配比）。

2.2实验原理：
2.3实验器材及药品
酒精灯、铁架台、试管、单孔塞、导气管、胶管
500ml量筒、秒表、电子天平。

KClO3、 MnO2
图一实验装置
2.4实验步骤：
①按（图一）实验装臵图所示安装好仪器； ②检查装臵气密性，往量筒中注满水；
③取KClO 320g ，分成10等份，每份2g ，分别装人已经准备好的10支试管当中.在10支试管当中分别加人0.1g 、0.2g 、0.33g 、0.4g 、0.5g 、0.66g 、1g 、1.3g 、2g 、3g 的二氧化锰【二氧化锰与氯酸钾的比例近似为:(1/20、1/10、1/6、1/5、1/4、1/3、1/2、2/3、1/1、3/2】；（如图二所示）。

④分别加热这
时，记录当量筒中的水位达到100ml 、200ml 、300ml 时所用的时间；（保证反应的除变量二氧化锰外其他条件的一致） ⑤检验氧气的纯度； ⑥分析结果。

2.5实验数据记录与分析：数据记录：
编号MnO2质量MnO2与KClO3质
量比
生成100ml氧气
时间（秒）
生成200ml氧气
时间（秒）
生成300ml氧气
时间（秒）
1 0.1g 1:20 167 235 295
2 0.2g 1:10 116 186 231
3 0.33g 1:6 100 162 187
4 0.4g 1:
5 9
6 14
7 172
5 0.5g 1:4 84 133 153
6 0.66g 1:3 79 11
7 131
7 1g 1:2 101 143 169
8 1.3g 2:3 129 160 217
9 2g 1:1 167 211 275
10 3g 3:2 192 244 309 数据分析：根据上面数据作出分析图线（表一，表二），如下：
表一：该图以制取300mL氧气所需时间为纵坐标，催化剂与氯酸钾的配比为横坐标。

表二：二氧化锰与氯酸钾的用量比与生成氧气速度的关系
分析：
从图表一我们可以很清楚的看到，反应速率与MnO2的质量并不是一个简单的正比例关系。

当MnO2与KClO3的质量比为1：3时，反应剧烈，得到300毫升氧气所需时间也最短。

随着催化剂的增加，产气速率反而逐渐减缓。

我们的中学教学实验，一般需要在课堂上亲自示范给学生们看，这就需要控制我们实验的时间，对于氧气的制备及性质检验这个实验来说，从制备气体到气体性质的检验，一般总的时间需要控制在5-8分钟，从图表二上可以看出当MnO2与KClO3的质量比为1：3时，得到300毫升氧气所需时间最短，大概为两分半钟。

并且MnO2的催化作用又快而又平稳。

一般集气瓶的体积大概为250ml。

所以，不仅可以可从容的收集气体，同时反应速率适中且平稳，所以考虑到反应速率及反应的可控制性，当MnO2与KClO3的质量比为1：3时是最佳配比。

2.6实验注意事项：
①应根据酒精灯和水槽的高度固定试管，使酒精灯的外焰能正对着
试管里放药品的部位。

②试管口要略向下倾斜，防止水倒流造成试管破裂。

③试管中的导管要稍露出瓶塞，便于气体导出。

④铁夹应夹在离试管口1/3处，便于加热。

⑤药品应平铺在试管底部，以增大受热面积，同时便于氧气逸出。

⑥用氯酸钾制氧气时，试管口不能塞棉花，这是因为氯酸钾具有强
氧化性且在二氧化锰的作用下，分解速度很快，棉花又是可燃物，易着火燃烧，以至发生爆炸。

因此用氯酸钾制氧气时，要求试管洁净。

同时要保证药品的纯正，因为KClO3是一种强氧化剂，不能混和可燃性物质（如炭粉、镁粉、纸屑及其它有机物等），以免在加热或摩擦情况下产生火花、烟雾，甚至发生小的爆炸。

较大的KClO3颗粒要研细，可放在研钵里用研杵轻轻压碎，不可用力研磨，也不要和MnO2等混和研磨（应用钥匙拌和）。

⑦排水法收集完毕，应先撤导管，然后熄灭酒精灯，防止试管里温
度骤然降低，气压减小，水槽中的水倒流使试管炸裂。

⑧（重要）KClO3、MnO2要事先干燥，同时要保证试管的干燥。

不可研
磨KClO3、MnO2混合物，可能产生爆炸。

⑨（重要）要保证十个不同配比加热制氧气的其他实验条件的一致，
使实验只有MnO2一个变量，使实验有说服力。

3.结果与讨论：
通过查找资料及自己的思考，我了解到当MnO2的用量过小时，MnO2与KClO3的接触面积过小，导致KClO3的分解受到一定的阻碍，不到较高温度时不易放出氧气。

但当一旦在高温时就会有氧气放出，而且反应很剧烈，又不够稳定。

其后，放氧速度很快就会变慢。

而当用MnO2量过大时，没有分散开而是堆积在一起。

这样MnO2不但起不到催化作用，反而阻隔了热的传递，减慢了反应速度。

随着时间的增加，反应物开始熔化，大量的MnO2都沉积到反应物底部不能起催化作用。

对于实验室制备氧气，通过实验数据的分析认为催化剂的用量应该选用1：3这个比例。

如果催化剂用量过大或过小大，使得反应太慢。

收集起来很浪费时间。

开始实验时，由于药品不干燥，随着反应的进行，药品大部分流到了试管口（如图三所示），导致生成的氧气的量过少，导致实验的失败，最后通过在网上查找资料，了解到MnO2催化制取氧气，属于多相催化反应.多相催化反应是发生在两相界面上的，因而催化剂的比表面是决定催化剂活性的一个主要因素。

活性。

实验中，如果KClO3、MnO2和大试管等不够干燥，加热时，就会有较多水珠产生，随着温度的升高，部分KClO3溶解于水，流到试
管口部，造成了药品的损失。

更严重的，试管底部的KClO3、MnO2因水结块，反应物KClO3强烈吸附于催化剂MnO2表面，覆盖了催化剂表面的活性中心，使催化剂的表面积减小，降低了MnO2催化活性，甚至造成催化剂MnO2中毒，从而使反应很难进行，自然氧气放出量减少，所以，药品和大试管是否干燥是制取氧气实验成败的十分重要的因素。

正确的实验方法是:在实验前将KClO3用蒸发皿在酒精灯上拱至粉未状，大试管要供至没有水蒸气产生后再供半分钟，另外MnO2要灼烧，以便除去可能存在MnO2中的可然性物质。

在实验过程中，我还看到随着加热，试管中的药品逐渐出现紫色，反应完毕后，紫色消失。

并且收集到的氧气有白雾。

查阅资料原因为：
2KC1O3+2MnO2=2KMnO4（紫色）Cl2+O2
2KClO4=K2MnO4+MnO2+O2
K2MnO4+Cl2=2KCl+MnO2+O2
同时通过实验，我认识到，对比实验中控制变量的重要性。

结论：
实验室中MnO2催化分解KClO3制氧气，MnO2与KClO3质量的最
佳配比为1：3。

参考文献：
[1] 人民教育出版社化学室.初级中学化学教科书[M] 北京：人民教育出版社，1995.15-17
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广西：广西师范大学化学化工学院2008.5
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