对过氧化氢分解催化剂的探究

一、提出问题

小明同学学习了实验室制取氧气后，对催化剂及其催化作用非常感兴趣。通过学习小明知道，催化剂是能改变其他物质的化学反应速率，但本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质。在二氧化锰的催化作用下，过氧化氢分解生成水和氧气。通过课外阅读小明又知道，氧化铜、氧化铁、红砖粉、硫酸铜溶液等对过氧化氢的分解也具有催化作用。红砖粉是日常生活中常见的物质，小明想通过实验探究红砖粉对过氧化氢分解是否有催化作用，及氧化铜、氧化铁、红砖粉、二氧化锰对过氧化氢分解的催化效果是否相同。

二、设计实验方案

通过分析催化剂的概念，小明认为要证明红砖粉是过氧化氢分解的催化剂，需要证明红砖粉能改变过氧化氢的分解速率，而它本身的质量和化学性质在化学反应前后并没有发生改变。因此需要设计三组对比实验，验证红砖粉能改变过氧化氢的分解速率、在化学反应前后质量和化学性质不发生改变。

三、实验验证

实验1：探究红砖粉能否改变过氧化氢的分解速率。

在两支试管中分别加入5毫升5%的过氧化氢溶液，向其中一支试管中加入0.5 g 红砖粉，观察现象。加入红砖粉的试管中有气泡产生，没有加红砖粉的试管中气泡产生得非常慢、气泡很小。

得出结论：红砖粉能加快过氧化氢的分解速率。

实验2：探究红砖粉在反应前后化学性质是否改变。

当实验1中加入红砖粉的试管中不再产生气泡时，加入过氧化氢溶液，用带火星的木条检验，发现有气泡产生、木条复燃。当不再产生气泡时，再加入过氧化氢溶液，还能观察到有气泡产生。这说明红砖粉不是反应物，在反应过程中没有消耗，而且在反应前后化学性质没有发生改变。

得出结论：红砖粉在化学反应前后化学性质没有发生改变。

实验3：探究红砖粉在化学反应前后质量是否改变。

实验2 结束后，过滤、洗涤、干燥、称量红砖粉的质量，红砖粉质量仍为0.5 g。

图1

图2

得出结论：在化学反应前后红砖粉的质量没有发生改变，红砖粉是过氧化氢分解的催化剂。

四、深入探究

实验4：探究氧化铜、氧化铁、红砖粉、二氧化锰对过氧化氢分解的催化效果是否相同。

在点滴板上分别量取等量的氧化铜、氧化铁、红砖粉和二氧化锰粉末，然后分别滴加5%的过氧化氢溶液，观察现象。

如图1，向氧化铜粉末上滴加5%的过氧化氢溶液，产生黄豆大小的气泡，反应速率明显变快；向氧化铁粉末上滴加5%的过氧化氢溶液，产生绿豆大小的气泡，反应速率变快；向红砖粉上滴加5%的过氧化氢溶液，产生微小的气泡，反应较慢；向二氧化锰固体上滴加5%的过氧化氢溶液，立即产生大的气泡并迅速破裂，反应迅速。

通过比较得出结论：这四种物质在催化过氧化氢分解时，红砖粉效果最差、二氧化锰效果最好，因此实验室用过氧化氢分解制氧气时常用二氧化锰作为催化剂。

小明同学通过对过氧化氢分解催化剂的探究，加深了对催化剂概念的理解，知道了氧化铜、氧化铁、红砖粉、二氧化锰对过氧化氢分解都有催化作用，但效果不同，其中二氧化锰的催化效果最好。

五、总结提升

通过实验探究，小明同学加深了对催化剂及其催化作用的理解。催化剂是相对于某一反应或某一类反应而言的，不能说某种物质是催化剂。比如，不能说二氧化锰是催化剂，可以说二氧化锰是过氧化氢或氯酸钾分解的催化剂。在加热高锰酸钾生成锰酸钾、二氧化锰和氧气的反应中，二氧化锰是一种生成物。催化剂能改变物质的化学反应速率，但不能改变生成物的质量。同一化学反应可以有多种催化剂，但催化效果不同。

催化剂在生产生活中有着广泛的应用。在石油炼制、汽车尾气处理、酿酒酿醋等酿造业和制药工业中要用到酶作为催化剂。人体在消化吸收食物时也要用到多种酶作为催化剂。比如在吃馒头时，唾液淀粉酶能起催化作用，把馒头中的淀粉转化为麦芽糖。通过这次实验探究，也使小明感受到化学与生产生活密切相关，激发了其学习化学的兴趣。

最后，小明用思维导图记录了自己的探究过程（如图2）。