2019年
课题2 催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响
[浙江选考·加试要求]
————————————————————————————————————— 1．不同的催化剂对同一反应的催化效果。 2．变量控制在实验研究中的应用。
1．通过比较不同的催化剂对过氧化氢分解速率的影响的差异，从中认识到催化剂的种类、用量等的选择对实验效果的影响。
2．认识实验方法的选择及反应条件的控制在实验研究中的重要作用，加深对化学反应条件控制的重要性的认识。
3．尝试用比较法来寻找实验的最佳方案，通过实验提高处理实验数据和分析实验结果的能力。
———————实验要素先知道
1．催化剂和催化作用
(1)能改变化学反应速率而本身的化学组成和质量在反应前后保持不变，这种物质叫做催化剂。催化剂在反应中所起的作用叫催化作用。
(2)在化工生产中，常常加入催化剂以促进化学反应的进行。例如，硫酸工业中，由二氧化硫制三氧化硫的反应常用五氧化二钒作催化剂；氮气与氢气合成氨的反应，使用的是以铁为主体的多成分催化剂；生物体内的化学反应也与催化剂有着密切的关系，生物体内的各种酶具有催化活性，是生物催化剂。
(3)催化剂只能加快反应的速率，不能使原来不能发生的反应得以进行。在可逆反应中，催化剂只能缩短反应达到平衡的时间，而不能使化学平衡发生移动。
(4)催化剂一般有选择性，不同的化学反应要选用不同的催化剂。同样的反应物选用不同的催化剂，可以发生不同的反应，从而得到不同的产物。
2．催化剂与反应活化能
(1)催化剂虽然在反应前后的质量和化学性质没有发生变化，但有些催化剂却参与了化学变化过程，在参与反应的过程中其化学性质和质量均发生改变，即反应过程中必定既包括有催化剂参与的反应，又包括使催化剂再生成的反应。
(2)分子或离子间的碰撞是发生化学反应的先决条件，但不是每次碰撞都会引发反应。能够引起反应的分子(或离子)间的相互碰撞叫做有效碰撞，能够发生有效碰撞的分子叫做活化分子。活化分子具有较高的能量，因此
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活化分子所占分数的大小决定了反应速率的快慢。活化分子的平均能量与所有分子的平均能量的差称为活化能。
(3)催化剂有一定的活化温度，在这个温度范围内使用，催化剂的活性最高。
(4)使用催化剂能增大化学反应速率的机理主要是形成中间产物，或在催化剂表面的活性中心发生反应，从而改变反应的途径，使反应的活化能降低。
3．过氧化氢分解的影响因素
过氧化氢(H2O2)，俗称双氧水，不稳定，易分解。溶液的酸碱性对H2O2的稳定性有较大的影响，如在碱性溶液中，H2O2分解较快。另外，H2O2见光、遇热、遇到大多数金属氧化物分解也会加速。在催化剂存在下，H2O2迅速分解，反应方程式为2H2O2===2H2O_＋O2↑。通常选用MnO2作催化剂，MnO2的用量以及颗粒直径大小均会影响H2O2分解的速率。除MnO2外，还可用CuO、Fe2O3等作H2O2分解的催化剂。
———————实验过程详剖析
[器材与原理]
相关器材
托盘天平、药匙、锥形瓶、双孔橡胶塞、导管、橡胶管、螺旋夹、水槽、量筒、计时器、分液漏斗。 相关原理
(1)确定判断依据——单位时间内氧气产生的量
(2)设计反应实验装置——测定单位时间产生氧气的体积(量气装置)
(如果实验条件允许有电子天平的话，可以测定单位时间产生氧气的质量，可能会更简单)
[实验与拓展]
实验流程
1．取四支试管，分别加入5 mL 10%的过氧化氢溶液。 2．分别进行如下实验
(1)向第一支试管中伸入带火星的檀香，观察现象。 (2)给第二支试管加热后伸入带火星的檀香，观察现象。
(3)向第三支试管中滴加几滴饱和硫酸铜溶液，振荡一会儿后， 伸入带火星的檀香，观察现象。 (4)向第四支试管中将二氧化锰从饮料管中倒入，伸入带火星的檀香，观察现象。
实验编号 1 2 3 4 实验改进
(1)带火星的木条易熄灭，用檀香代替木条有利于课堂演示实验的持续操作，减少实验操作所需时间。
现象 几乎没有气泡产生，檀香不复燃 有气泡产生，檀香不复燃 有气泡产生，檀香不复燃 有大量气泡产生，檀香复燃 原因与结论 常温几乎不分解 加热后分解速率加快，但氧气量不大 硫酸铜溶液能加快反应速率，但氧气量不大 二氧化锰能加快反应速率且氧气量大 2019年
(2)过氧化氢溶液常温分解无法看到明显现象，不足以说明它能分解，时间也不易掌握；给过氧化氢溶液加热实验的补充既说明过氧化氢能分解，又说明条件的改变对反应速率的影响。
(3)直接用药匙把二氧化锰加入试管，试管内壁易粘上二氧化锰粉末，影响实验现象的观察并浪费药品；采用先用药匙把二氧化锰放在软饮料吸管的一头，另一头插入试管中再竖直软饮料吸管把二氧化锰加入试管的操作方法。这一改进有利于实验现象的观察并得到较好的实验效果。
(4)用10%的过氧化氢溶液代替5%的过氧化氢溶液使实验现象更明显。
(5)实验2与实验3、4的对比能说明化学反应速率与是否加入催化剂有关，从而引出催化剂的概念。 (6)实验3与实验4的对比既对教材中所说的“硫酸铜溶液在过氧化氢的分解中也可作催化剂”具有说服力，又能使学生了解化学反应速率的快慢与催化剂的种类有关(即催化剂的种类不同催化效果不同)。
[注意事项]
(1)为了便于比较，实验时应在同一地点、使用同一装置完成。
(2)实验装置中，分液漏斗可改用安全漏斗，以防在滴加双氧水时，由于反应较快，导致瓶内压强迅速增大而致使液体不能顺利滴下。
(3)由于实验中使用H2O2仅为5 mL，催化剂也均称取0.1 g，故锥形瓶最好用容积较小的，如100 mL锥形瓶，以免引起误差过大，也便于催化剂和H2O2充分接触。
对点集训
1．德国科学家格哈德·埃特尔对有关一氧化碳在金属铂表面的氧化过程的研究催生了汽车尾气净化装置。净化装置中的催化转化器可将CO、NO、NO2等转化为无害的物质。下列有关说法不正确的是( )
A．催化转化器中的铂催化剂可加快CO的氧化 B．铂表面做成蜂窝状更有利于提高催化效果 C．在铂催化下，NO、NO2可被CO还原成N2
D．使用铂催化剂，可以提高碳氢化合物被氧化的转化率
解析：选D 在铂催化剂的作用下，NO、NO2将CO氧化为CO2，A 项正确；将铂表面做成蜂窝状，增大了反应物的接触面积，有利于提高催化效果，B项正确；NO、NO2变成N2，氮元素的化合价降低，被还原，C项正确；催化剂只能改变化学反应速率而不能改变化学反应限度(即不能使化学平衡发生移动)，D项错误。
2．下列关于催化剂的说法，正确的是( ) A．催化剂能使不起反应的物质发生反应 B．催化剂能改变化学反应速率 C．任何化学反应，都需要催化剂
D．电解水时，往水中加少量NaOH，可使电解速率明显加快，所以NaOH是这个反应的催化剂
解析：选B 在电解水时，加少量NaOH，可增大水中离子浓度，增强水的导电性，NaOH并没有改变反应机理，故不是催化剂。另外，有些反应是不需要催化剂的，如中和反应等。
3．对于反应2H2O2===2H2O＋O2↑，下列措施不能增大其分解速率的是( ) A．向反应体系中加水 B．升高H2O2溶液的温度