H2O2催化分解反应速率的实验探究

杨茵

摘要： 通过对H2O2催化分解速率进行的实验探究，解释了氯化铁催化分解H2O2的异常现象及其教学意义。对H2O2分解温度及寻找合适催化剂催化分解不同浓度的H2O2作了实验探索，得出双氧水受热分解速率与温度的定量关系。通过对照实验，提出改用活性炭作催化剂等适合课堂实验教学的建议。

关键词： 过氧化氢; 分解速率; 催化; 实验探究

文章编号： 10056629（2019）1007003      中图分类号： G633.8      文献标识码： B

1 问题的提出

现行各版本的新高中教材《化学2》（必修）在探究化学反应速率课题时，都不约而同地使用H2O2分解的实验，可能原因是过氧化氢容易分解，现象明显，具体详见表1。江苏省苏州市采用的是苏教版，其中《化学2》（必修）第30页“活动与探究”栏目中的具体内容为：“[实验1]取两支大试管，各加入5mL 12%的过氧化氢溶液（即双氧水），将其中一支试管用水浴加热，观察并比较两支试管中发生的变化。[实验2]取两支大试管，各加入5mL 4%的过氧化氢溶液，用药匙向其中一支试管中加入少量二氧化锰粉末，观察发生的变化。[实验3]取两支试管，分别加入5mL 4%、 5mL 12%的过氧化氢溶液，再各加入几滴0.2mol·L-1氯化铁溶液，观察气泡生成的快慢。”对于上述实验步骤，笔者在进行课堂实验过程中发现了一些问题，如水浴加热的温度不明确、FeCl3催化H2O2分解过程中出现异常现象、催化剂选择及催化剂用量不详等。笔者课后进行了一系列探究实验，获取了演示实验所需的适宜条件，现将实验的过程及结果阐述如下，与诸位同仁分享。

2 背景资料查阅

发现问题后，查阅了相关的资料，了解到H2O2是一种不太稳定的试剂，因为H2O2分子中存在过氧键，且是低对称性的，容易发生分解反应2H2O2

2H2O+O2↑，反应焓变ΔrHm（298.15K）=-198kJ/mol，摩尔吉布斯焓变ΔrGm（298.15K）=-160.77kJ/mol，分解压为106.7kPa[1]，由此可见理论上推知纯的H2O2在常温常压就可自行分解，但是H2O2分解活化能约为220kJ/mol，所以低温避光、无催化剂条件下的分解率不大，研究者在30℃时测得纯H2O2一年的分解率仅为1%。在热、光、过渡金属及它们的氧化物、过渡金属盐、酰胺类物质、过氧化氢酶等因素影响下，H2O2又会变得极不稳定，很容易分解。

在Fe3+催化作用下，H2O2分解机理起源于过渡配合离子FeⅢ（HO2）2+和FeⅢ（OH）（HO2）+的分解，这些配合物的生成速率非常快，在Fe3+与H2O2混合数秒内即已达到平衡。FeⅢ（HO2）2+显蓝色，FeⅢ（OH）（HO2）+显红色，再结合溶液中还可能存在的有色微粒，如[Fe（H2O）6]3+、FeOH2+， FeO2H+2等，实验时我们能观察到溶液加深为棕黄色应该是多种有色离子共同作用下形成的一种复合色，而并非存在单一显棕色或棕黄色的中间过渡产物[2]。

由于过渡金属原子存在空的d轨道，在电子转移过程中会引起金属离子价态变化，从而加速H2O2的分解。因此，很多含过渡金属离子物质对H2O2都具有催化活性。因此，有的教师用铜盐代替氯化铁做催化剂，也取得比较好的实验效果。

在化工上，常采用洁净铂网在低温条件下平稳催化分解过氧化氢，过氧化氢的分解率可达到99%以上。有的化工企业用活性炭来催化分解过氧化氢，不仅催化速度快而且催化效果非常好[3]。

3 实验过程

虽然纯净的过氧化氢比较稳定，但在加热、光照或少量杂质的作用下，它的不稳定性就会表露无遗，很容易分解。为此，中学实验室在使用特定浓度的过氧化氢溶液时都是现用现配。市售的过氧化氢溶液浓度为30%，笔者取40mL 30%的过氧化氢溶液，加60mL蒸馏水，配成100mL浓度约为12%的过氧化氢溶液;取15mL上述配得的12%的过氧化氢溶液，加15mL蒸馏水，配成30mL 6%的过氧化氢溶液待用;再取10mL 12%的过氧化氢溶液，加20mL蒸馏水，配成30mL 4%的过氧化氢溶液待用。

3.1 过氧化氢受热分解的温度

上述苏教版教材中实验1只是描述把过氧化氢溶液水浴加热，并没有具体指明水浴加热的温度，所以，笔者做了如下实验探求过氧化氢受热分解的温度。

[实验1]（1） 取两支大试管，各加入5mL 12%的过氧化氢溶液（即双氧水），没有明显现象，将其中一支试管置于盛80mL冷水的烧杯中，烧杯下方由酒精灯加热，初时室温、水温均为20℃。

实验记录见表2。

（2） 把另一支试管直接用酒精灯加热，加热片刻后过氧化氢溶液中立刻有大量气泡产生，撤去酒精灯，气泡仍继续大量冒出。

3.2 过氧化氢催化剂的选择

苏教版的实验3利用氯化铁催化不同浓度的过氧化氢溶液分解说明浓度对反应速率的影响。做过该实验的教师都清楚，用氯化铁催化分解过氧化氢时会出现“异常”现象，向无色的H2O2溶液中滴加几滴黄色的FeCl3溶液，有气泡产生的同时溶液立即变为棕黄色甚至棕褐色，这说明催化剂氯化铁参与了化学反应，有中间产物铁的棕褐色化合物生成，但反應最终棕褐色会完全退尽，实验现象表明催化剂虽可参加反应，但本身不进入产物中，能很好地说明催化剂的一些特性，教材这样的安排是有深意的。

当然，一个化学反应的催化剂可以有多种，不同的催化剂催化效果也会不同。选择一些获取方便、价廉、安全且现象有趣的催化剂，让学生参与活动和探究，也会收到特有的教学效果。根据文献资料，选择了实验室常见的或容易买到且价格便宜的药品，如硫酸铜溶液和活性炭做催化剂，与氯化铁一起进行催化剂的对照、比较的实验探究。

[实验2]（1） 称量分析纯固体试剂FeCl3·6H2O、分析纯固体CuCl2·2H2O，分别溶解在50mL蒸馏水中，各自配成50mL浓度约为0.2mol·L-1的FeCl3溶液和0.2mol·L-1的CuSO4溶液。

（2） 称取0.2g活性炭（购自淘宝），共有9颗差不多大小的活性炭颗粒。每颗活性炭约为0.02g。

（3） 取两试管A和B，向其中A试管中加入5mL 4%的过氧化氢溶液，B试管中加入5mL 12%的过氧化氢溶液。分别向两试管中滴加5滴0.2mol·L-1的FeCl3溶液，振荡并静置。

（4） 取两试管C和D，向其中C试管中加入5mL 4%的过氧化氢溶液，D试管中加入5mL 12%的过氧化氢溶液。分别向两试管中滴加5滴0.2mol·L-1的CuSO4溶液，振荡并静置。

（5） 取两试管E和F，向其中E试管中加入5mL 4%的过氧化氢溶液，F试管中加入5mL 12%的过氧化氢溶液。分别向两试管中加入1颗研磨过的活性炭，振荡并静置，观察实验现象及对比效果。实验结果见表3。

4 思考及建议

作为演示实验，不仅要实验时间短、现象明显，也要方便和经济，这样才有利于教学实验的展开。对于前面进行的实验作如下思考。

4.1 水浴的合适温度

市售过氧化氢溶液中一般都加有一定量的硫酸作稳定剂，过氧化氢的分解活化能较高，必须要超过其活化能时才能分解，因此温度提高到一定程度后才会加速分解，温度越高则分解越快。实验表明12%的过氧化氢分解产生明显气泡需要达到74℃左右，若从冷水浴加热大约需要15分钟的时间。等待时间太长就不适合在课上用于演示实验。建议可以直接在热水中兑冷水达到74℃左右，这样可以大大缩短演示实验的时间，有利于演示实验的进行。

用酒精灯直接加热5mL 12%的过氧化氢溶液，片刻后就有大量气泡产生，停止加热后，气泡仍大量生成，由此可以排除只是水沸腾产生了气泡，说明过氧化氢分解生成了氧气。所以，本实验也可以不用水浴加热，改用稍微加热5mL 12%的过氧化氢溶液至有大量气泡产生，停止加热，气泡仍旧大量冒出来说明加热促进过氧化氢的分解。

4.2 能否选择活性炭做催化剂

在催化剂的选择上，FeCl3虽然对H2O2的分解有好的催化活性，但实验中存在“异常”现象，学生又难以理解“异常”现象产生的原因。而铜盐做催化剂时催化效果不如FeCl3，对比不明显。活性炭对H2O2分解的催化活性非常好，反应迅速，对比明显，而且价格也便宜。所以，活性炭不失为一个好的催化剂，可以用于演示实验中。

综上所述，提出如下建议： （1）在演示过氧化氢受热分解实验中产生明显现象需要达到74℃左右，建议将试管直接加热到产生大量气泡后停止加热，这样大大缩短了演示实验的时间。（2）在演示不同浓度的过氧化氢溶液分解实验来说明浓度对反应速率的影响时，可改用少量活性炭作为催化剂，反应速率快且对比差异明显，有利于学生进行实验观察。

参考文献：

[1]王春， 孙文利， 刘洋， 赵晓冉. 利用手持技术探究催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响[J]. 教育与装备研究， 2016， （12）： 56.

[2]史宗翔， 陆燕海. FeCI3催化分解H2O2实验的审慎参酌[J]. 化学教学， 2012， （10）： 52.

[3]陆海南， 周云， 吴强. 影响H2O2分解的因素與H2O2制备O2教学实验最佳条件研究[J]. 轻工科技， 2012， （4）： 37.