氯酸钾分解制氧气催化剂活性的研究

龙冬梅，员蓉，伏彩彩，周孝伟，毛泽川，梁永锋

（宁夏师范学院化学化工学院，宁夏固原756000）

氧气是人体进行新陈代谢的关键物质，人体生命活动离不开氧。通过呼吸作用把外界的氧转化为人体内可利用的氧，称为血氧。血液携带血氧向全身输入能源，血氧的输送量与心脏、大脑的工作状态密切相关，心脏泵血能力越强，血氧的含量就越高[1]；心脏冠状动脉的输血能力越强，血氧输送到心脑及全身的浓度就越高，人体重要器官的运行状态就越好[2-3]。分解氯酸钾是制取氧气的一种常用方法，利用该方法制取氧气需要催化剂，但在实际应用中发现用二氧化锰作为催化剂有明显的不足。因此，重新选择对氯酸钾分解制氧气催化效果好的催化剂，在实际应用中具有重要的意义。

1 用二氧化锰作为氯酸钾分解制取氧气催化剂的不足

一般情况下，氯酸钾加热时发生下列歧化反应：

只有在催化剂的作用下，氯酸钾加热才能分解为氯化钾和氧气，目前文献中介绍氯酸钾制氧气的催化剂是二氧化锰。二氧化锰催化氯酸钾分解制取氧气的化学反应是：

实验中发现，用二氧化锰作催化剂，催化氯酸钾分解除能够发生上述反应外，同时还有下列副反应发生：

由于有副产物氯气生成，一是导致收集的氧气纯度不高；二是制取过程中收集到的氧气带有白雾[4]，且有较浓的刺激性气味；三是对环境造成污染；四是氧气逸出的速率不好控制[5]。

另外，MnO2是化学实验室常用的化学试剂之一，具有氧化性。虽然一般情况下，MnO2非常稳定，但与易燃物放置一起，容易引发燃烧或爆炸；实验过程中若MnO2与眼睛直接接触会造成损伤，侵入机体可造成脑部损伤。

2 氯酸钾分解制取催化剂活性比较

2.1 氯酸钾制氧气催化剂活性比较

催化剂活性比较是一个复杂的问题，设计到许多方面。在中学化学教学中，采用相同条件下，制取相同体积的氧气所用的时间来衡量，用时越短，表明反应速率越快，催化剂活性越高。

2.1.1 实验仪器和试剂

硬质大试管(420×150)数支、500 mL 量筒、水槽、酒精灯、铁架台、导气管、单孔橡皮塞、电子分析天平等，氯酸钾（AR）及催化剂(二氧化锰及替代品)、淀粉试纸等。

2.1.2 实验方法

（1）氧气的制取方法。准确称取经过重结晶的氯酸钾1 g 和催化剂各1 g，充分混合后装入大试管,先给试管均匀加热，当气体排放连续后用排水集气法收集气体，并开始计时，仔细观察实验现象。实验结束后用淀粉碘化钾试纸对气体进行检验。

（2）催化剂的回收。实验结束后，待试管完全冷却后，用蒸馏水溶解试管中的剩余物质，过滤，将滤渣在坩埚中灼烧，冷却后称量回收的催化剂的质量。

2.1.3 实验结果

实验结果见表1。

表1 氯酸钾制氧气催化剂活性Tab.1 Oxygen catalyst activity of potassium chlorate

实验结果表明，若从生成200 mL 氧气所用的时间来 看 ，催 化 剂 的 活 性 依 次 为 ：P2O5＞CrO3＞Fe2O3＞Cr2O3＞NaHSO4＞MoO3＞MnSO4＞V2O5＞PbO＞CuO＞PbO2＞ZnO＞MnO2＞MgO＞Al2(SO4)3＞CaO＞Al2O3。

2.2 催化剂种类对氯酸钾分解反应催化活性的影响

按照2.1.2 的实验方法，选用不同的催化剂进行试验，实验结果见图1。

图1 表明，除二氧化锰外，氧化钙等其余16 种常见化学试剂对氯酸钾分解制氧气均具有催化效果。若按照开始生成氧气（50 mL）所用的时间来看，其催化活性依 次 为 ：P2O5＞CrO3＞Cr2O3＞NaHSO4＞Fe2O3＞MoO3＞MnSO4＞V2O5＞MnO2＞CuO＞PbO2＞PbO＞Al2O3＞Al2（SO4)3＞ZnO＞MgO＞CaO；但是当收集到氧气体积大于50 mL时，Al2O3的催化效果明显开始下降，生成氧气需要的时间明显增加；当收集到氧气体积大于100 mL 时，MnO2和Al2(SO4)3的催化效果明显开始下降；当收集到氧气体积大于150 mL 时，NaHSO4的催化效果明显降低；当收集到氧气体积大于200 mL 时，PbO2的催化效果明显降低。在实验的条件下制取氧气在50～350 mL 体积范围内 ，与 MnO2比 较 ，P2O5，CrO3，Fe2O3，Cr2O3，NaHSO4，MoO3，MnSO4，V2O5，PbO，CuO，PbO2，ZnO，CaO，MgO 的催化效果明显优于MnO2，Al2O3催化效果与MnO2相当，Al2(SO4)3催化效果稍弱于MnO2。

图1 催化剂种类对氯酸钾分解反应催化活性的影响Fig.1 Effect of catalyst type on catalytic activity of potassium chlorate decomposition reaction

2.3 催化剂用量对氯酸钾分解反应催化活性的影响

按照2.1.2 的实验方法，准确称取经过重结晶的氯酸钾1 g，催化剂的用量依次为氯酸钾质量的1/1（1 g）,1/2（0.5 g），1/3（0.33 g）,1/4（0.25 g）和 1/5（0.20 g）进行实验，以收集250 mL 氧气为参照，利用所用的时间，比较催化剂的催化效果，用时越少，催化剂的催化效果越好。实验结果如图2所示。

图2 催化剂用量对氯酸钾分解反应催化活性的影响Fig.2 Effect of the amount of catalyst on the catalytic activity of potassium chlorate decomposition

图2 表明，氧化铜、三氧化铬、五氧化二磷、氧化铁和硫酸氢钠5 种物质分别作为氯酸钾分解制氧气的催化剂时，其与氯酸钾的质量比为1∶1 时催化效果最好；二氧化铅、氧化锌做氯酸钾分解制氧气的催化剂时，其与氯酸钾质量比为1∶2 时对氯酸钾分解催化效果最佳；氧化钙、氧化镁、三氧化二铬、氧化铅、硫酸锰、硫酸铝、二氧化锰7 种物质分别作为氯酸解分解制氧气反应的催化剂时，其与氯酸钾的质量比为1∶3 时催化效果最佳；氧化铝、五氧化二钒、三氧化钼三种物质分别作为氯酸钾分解制氧气反应的催化剂时，其与氯酸钾质量比为1∶4时，催化效果最佳。

2.4 催化剂种类对氧气逸出速率的影响

按照2.3 的实验结果和2.1.2 的实验方法，准确称取经过重结晶的氯酸钾1 g，选择催化剂与氯酸钾最佳的催化活性比例进行试验，根据收集到相同体积的氧气（50 mL）所用时间的间隔进行氧气逸出速率的评价，时间间隔越均匀，氧气逸出速率越平稳，越有利于氧气的收集和实验现象的观察。实验结果如图3所示。

图3 催化剂种类对氧气逸出速率的影响Fig.3 Effect of the type of catalyst on the oxygen evolution rate

图3 表明，硫酸铝、硫酸氢钠和三氧化二铬作氯酸钾分解制取氧气反应的催化剂，在氧气体积在50～250 mL之间，氧气逸出速率均匀、稳定，便于收集；氧气体积大于250 mL 后，氧气逸出的速率明显减慢；氧化锌、氧化铅、二氧化铅、氧化镁、氧化铜、氧化铁、二氧化锰催化氯酸钾分解制氧气，氧气的体积在50～300 mL 之间，氧气逸出速率均匀、稳定；氧化钙、氧化铝、五氧化二钒、五氧化磷、硫酸锰、三氧化铬和三氧化钼催化氯酸钾分解制氧气，氧气的体积在50～350 mL 之间，氧气逸出速率均匀、稳定。

3 讨论与结论

（1）实验过程中发现用三氧化铬、二氧化铅、五氧化二钒、三氧化钼催化氯酸钾分解反应有少量的氯气产生，可能是发生了下列副反应：

（2）除二氧化锰外，氧化钙等16 种常见化学试剂对氯酸钾分解制氧气的反应都有催化作用，且大部分催化效果好。首次发现氧化钙、氧化镁、三氧化二铬、三氧化铬、氧化铅、二氧化铅、五氧化二磷、五氧化二钒、三氧化钼、硫酸氢钠、硫酸锰和硫酸铝12 种常见化学试剂对氯酸钾分解制氧气的反应有良好的催化效果。

（3）综合考虑催化效果，氧气逸出的均匀稳定性、易于收集、没有副反应、原料的廉价和容易得到等因素，优先选用氧化钙、氧化铜、氧化铁、氧化锌、氧化铝和氧化镁6 种物质代替二氧化锰作为氯酸钾分解制氧气的催化剂。其优点是首先避免了副产物氯气的产生，实验过程中没有白雾产生；其次是催化剂易得，费用低廉；第三是实验过程比较安全；第四是实验结束后催化剂（氧化钙、氧化铜、氧化铁、氧化锌、氧化铝和氧化镁）回收方便，可反复使用。