用氧气传感器探究催化剂对双氧水分解速率的影响

湖北省宜昌市夷陵中学(443000) 成昌华

数字化实验是一种信息化教学方法，它是利用多媒体设备、数据采集器及传感器、通用软件等，将各种信号通过计算机软件分析处理，以图像、图表等直观的形式呈现出来。利用传感器对一些微小的和连续变化的数据进行测定，从而使得高中的一些定性实验定量化，定量实验可视化，让学生对一些高中化学实验有更加深刻的理解。催化剂是影响化学反应速率的外界条件之一，选用适当的催化剂是改变反应速率常用的方法之一。催化剂能改变反应的路径，降低使反应发生所需的活化能，反应速率增大。

教材中比较二氧化锰、氯化铁溶液和硫酸铜溶液对过氧化氢分解的催化效果，是以产生气泡的快慢比较反应速率的大小，属于典型的定性实验。本实验使用三个氧气传感器同时测定实验过程中产生的氧气浓度随时间变化关系，并将实验数据实时在电脑上以曲线显示出来，通过比较曲线各点切线斜率反映化学反应进行的快慢。将实验结果由定性化描述转化为定量化呈现，既直观又能定量计算化学反应速率，将定性实验转变为定量实验，对催化剂影响化学反应速率的原理理解更深刻。

1 实验原理

本实验采用美国威尼尔(Vernier)O2-BTA氧气浓度传感器(见图1)，传感器自带250 mL气体取样瓶。此传感器使用原电池来测量氧气的浓度。传感器含有浸在电解溶液的一个铅正极和一个金负极。当氧分子进入电池时，它们会在负极处被电化反应还原。电化反应所产生的电流是与电极之间的氧气浓度成正例的。此电流经过电阻而产生一个输出电压，输出电压通过数据采集器处理并读取。该传感器氧气测量范围：0%～27%；精度(标准大气压下)：氧气体积±1%。

图1 威尼尔O2-BTA氧气浓度传感器实物照片

2 实验过程

2.1 实验器材

氧气浓度传感器(自带3个250 mL气体取样瓶)、数据采集器(数据采集软件均为Vernier公司生产)、笔记本电脑(安装Logger Pro软件)、50 mL量筒(3支)、10 mL量筒(3支)、500 mL容量瓶、烧杯、胶头滴管、钥匙、电子天平、称量纸、1%H2O2、二氧化锰、0.1 mol/L FeCl3溶液、0.1 mol/L CuSO4溶液、水(试剂均为分析纯，水为处理过的超纯水)。

2.2 实验装置

实验装置如图2所示。

图2 实验装置实物图

本实验由Vernier 氧气浓度传感器、数据采集器、笔记本电脑及配套软件组成。本实验能将氧气浓度转化为可监测的信号，并通过软件处理后以图像形式展现，从而帮助学生增强对化学原理的理解和认识。

2.3 实验步骤

实验前将3个氧气传感器和3个250 mL气体取样瓶分别编号为1、2、3并一一对应，以防弄混，按实验装置图依次连接氧气传感器、数据采集器和电脑，设置氧气传感器采样频率为每秒一次，实验时间为300 s。向气体取样瓶中分别加入50 mL 1%H2O2溶液，点击数据采集按钮，再依次加入催化剂，迅速依次插入3个传感器，观察瓶内反应现象及电脑上的数据变化。

3 实验结果

3.1 催化剂种类对双氧水分解速率的影响

向3个气体取样瓶中加入50 mL 1%H2O2溶液，向1号气体取样瓶加入0.150 g MnO2和10 mL蒸馏水，向2号气体取样瓶中加入10 mL 0.1 mol/L FeCl3溶液，向3号气体取样瓶中加入10 mL 0.1 mol/L CuSO4溶液，迅速插入3个氧气传感器，点击数据采集按钮，观察瓶内反应现象及数据变化。

从图3所示变化趋势可以直接看出，在其他因素相同的条件下，二氧化锰的催化效果最好，氯化铁溶液次之。在本实验条件下，通过实验现象和数据均未看到硫酸铜溶液有催化作用。因此，通过三个氧气浓度传感器同时完成对比实验，实验操作简便，实验现象对比明显。点击软件上“正切”按钮，将光标移到曲线上，可显示各点斜率，从而获取每个时刻的瞬时速率，使实验由定性化描述转化为定量化描述。

图3 催化剂种类对双氧水分解速率影响的对比图

3.2 催化剂二氧化锰的用量对双氧水分解速率的影响

实验已证明二氧化锰是催化分解双氧水效果最好的一种催化剂，实验室也常用二氧化锰来催化分解双氧水，高中教材上很少涉及到二氧化锰的用量对反应速率的影响研究。催化剂的用量是否会影响其催化效果呢？下面，笔者用实验加以验证。按照实验步骤连接好仪器，分别向3个气体取样瓶中加入50 mL 1%H2O2溶液，同时向3个气体取样瓶中加入二氧化锰粉末，向1号气体取样瓶加入0.150 g MnO2，2号气体取样瓶中加入0.300 g MnO2、3号气体取样瓶中加入0.500 g MnO2，迅速插入3个传感器，点击数据采集按钮，观察瓶内反应现象及数据变化。

经过实验对比发现，二氧化锰的用量对双氧水分解有显著影响(见图4)，特别是当二氧化锰的用量为0.500 g时，反应速率迅速增快并达到氧气浓度传感器的最大量程，因此在双氧水浓度不变的情况下，不能再增大二氧化锰的用量。二氧化锰的用量越多，双氧水分解的速率越快，这主要是由于增大了二氧化锰与双氧水的接触面积而引起的。因此，在实验室制氧气时为了获得稳定的氧气气流时应该控制好双氧水和二氧化锰的用量。

图4 催化剂二氧化锰的用量对双氧水分解速率影响的对比图

4 结语

通过实验可以看出催化剂的种类和催化剂的用量对双氧水的分解都有影响，二氧化锰对双氧水的分解反应催化效率最高，二氧化锰的用量也影响该反应的速率。本实验采用氧气传感器开展实验探究，实验操作简单，实验现象明显，可以直接将实验结果投影出来，方便所有学生观察。基于传感器的化学实验可以激发学生的学习兴趣，培养学生的探究能力和创新思维，节省实验数据处理时间，让学生有充分的时间和空间开展实验探究。使用传感器的数字化实验是传统化学实验的有效补充，同时也为化学实验研究拓展了新的领域。