浅析化学实验中不同晶型二氧化锰的催化效果及实验改进

王春梅

摘 要：二氧化锰作为一种常见的催化剂，具有催化性能良好、成本低、环境污染小等特点，从而得到了广泛的应用。二氧化锰有着较为复杂的晶型结构，如α、β、γ、λ和δ等五种主晶及30余种次晶，不同晶型的MnO2的催化功能、使用寿命等各不相同。笔者所在学校实验室现有的二氧化锰在制取氧气的实验中起不到催化效果，同时笔者经过试验实验室现有的二氧化锰与浓盐酸不反应，为此笔者对本实验室的二氧化锰进行了研究，同时对教材中涉及到二氧化锰部分的实验进行了改进。

关键词：二氧化锰;催化效果;实验改进

二氧化锰作为一种常见的催化剂，具有催化性能良好、成本低、环境污染小等特点，从而得到了广泛的应用。初高中化学教材中也有二氧化锰作为催化剂的相关应用，如初中化学教材中提到利用二氧化锰作催化剂加热分解氯酸钾制氧气，人教版高中新教材必修二和选修四也有二氧化锰催化过氧化氢分解制取氧气的学生实验和演示实验。化学是一门以实验为基础的学科，课堂上以相应的实验来印证二氧化锰的催化效果一定能增加学生的学习兴趣，但遗憾的是笔者所在学校实验室提供的二氧化锰在实验过程中观察不到相应现象。经多次试验表明，学校实验室现有的二氧化锰在制取氧气的实验中确实没有催化效果，同时笔者经过试验实验室现有的二氧化锰与浓盐酸在加热条件下制氯气，结果也不能反应，而理论知识告诉我们浓盐酸和二氧化锰在加热条件下是可以制氯气的。为了避免在课堂上使教师处于尴尬境地及影响了学生学习的积极性，笔者查阅资料并设计了实验方案从而完解决了这一难题。

人教版高中新教材必修二48页实验探究2—6提到：取3只试管各加入2～3mL5%的H2O2溶液，然后给其中两只试管中分别加MnO2粉末和FeCl3溶液作催化剂，观察实验现象，探究反应速率。实验探究结束后教材中描述：从实验2—6我们观察到，MnO2、FeCl3可以加快H2O2的分解速率，起到了催化剂的作用。

下面是关于人教版高中新教材必修二48页【实验2—6】探究过程。

1.学生按照教材步骤进行相应实验探究，结果看到的现象是：加了FeCl3溶液的试管中反应速率与不加其它试剂的试管作比较反应速率加快，而加了二氧化锰的试管中反应速率并没有加快。

2.学生探究所得结论：FeCl3溶液具有催化作用而二氧化锰（MnO2）并不具有催化作用。学生得出以上结论后笔者进行了同样的实验，结果与学生探究结果一致，接下来笔者进行了MnO2催化氯酸钾粉末制氧气的实验，同时做空白实验进行对比，结果MnO2也没有起到催化效果，由此笔者思考是否本实验室所提供的MnO2与浓盐酸在加热条件下也不能制取氯气，实验结果印证了笔者的设想，本实验室提供的二氧化锰也不能用于制取氯气。

【解析】如下（笔者查阅资料）：

二氧化锰是一种呈黑色或棕色的固體，经常出现于软锰矿及锰结核中。二氧化锰主要用途为制造干电池，如碳锌电池和碱性电池，也常在化学反应中作为催化剂。二氧化锰（MnO2）是一类重要的金属氧化物材料，作为新型的环保催化剂，MnO2在过氧化氢分解、亚甲基蓝降解和苯酚的湿法氧化等反应中得到了很好的应用。在实验室中也常利用它的氧化性，和浓HCl作用以制取氯气：MnO2十4HCl=MnCl2十Cl2十2H2O。

二氧化锰是一种常温下非常稳定的黑色粉末状固体，其结构是八面体，氧原子在八面体角顶上，锰原子在八面体中，MnO2八面体共棱连接形成单链或双链，这些链和其它链共顶，形成空隙的隧道结构，八面体或成六方密堆积，或成立方密堆积。二氧化锰有着较为复杂的晶型结构，如α、β、γ、λ和δ等五种主晶及30余种次晶，不同晶型的MnO2的催化功能、使用寿命等各不相同，在各种晶型MnO2中λ-MnO2催化活性最差，所以MnO2材料的微观形貌对于其应用有着重要的意义。

笔者推断实验室所提供的二氧化锰有可能是活性较差的晶型，性质稳定而不能起到很好的催化效果。为此，笔者在宁夏大学能源化工重点实验室做了XRD衍射分析，并与XRD标准图谱进行了对比，实验室所提供二氧化锰为λ-MnO2和Mn3O4的混合物。

为了实验能够顺利进行，笔者将实验进行了改进，既解决了实验室二氧化锰试剂的问题又对实验室的废弃残渣进行了回收利用。具体操作方案如下：

【实验改进方案1】将高锰酸钾加热制氧气的残渣（MnO2）收集后作催化剂进行试验，发现其在H2O2和KClO3分解制氧气的实验中催化效果很好，所以笔者将实验室利用高锰酸钾加热制氧气后的残渣（MnO2）收集并用于催化分解H2O2溶液制氧气等。

【实验改进方案2】取实验室久置已变质的高锰酸钾溶液（呈水层和黑色沉淀），过滤，烘干，取2支试管分别加入2～3mL5%的H2O2溶液，再向其中1支试管加入少量烘干后的粉末，观察到的现象是：加了烘干的粉末的试管中反应速率明显加快。

【解析】如下：

笔者在实验室中偶然发现实验室久置的高锰酸钾溶液中出现了黑色沉淀，分析此黑色固体可能为MnO2，同时想到学校实验室提供的MnO2起不到催化效果，于是进行了上述实验，结果发现所回收的MnO2具有良好的催化效果。这样一来，既回收利用了废弃物又解决实验室燃眉之急。接下来将回收所得到的MnO2在氯酸钾分解制氧气的实验中得到了同样的效果。为了进一步研究回收利用的二氧化锰的催化效果，笔者同样在宁夏大学能源化工重点实验室做了XRD衍射图谱，从图中可以看到，其衍射峰明显变宽，表明回收得到的二氧化锰属无定形，与文献所述二氧化锰有着较为复杂的晶型结构相一致。

以上两个实验改进的方案既解决了实验室试剂的问题又对废弃物进行了回收利用，可谓两全其美。有人曾经把垃圾比成放错地方的资源，垃圾是可以进行分拣再利用的。随着人类环保意识的增强，“废”会变为“宝”的，这完全取决于我们的每一个细小的行为。

参考文献

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[2]谭柱中，梅光贵，李维健等.锰冶金学[M].2004：5-28.

[3]张俊，李云平，王保玉等.洛阳师范学院学报[J].2012：31-5.52-54.