论文部分内容阅读
过氧化氢是一种新型环保能源，可用作火箭发动机推进剂、新型汽车发动机燃料等，但由于其性质不稳定，在保存和使用中易受外界因素影响而分解，导致其实际利用率大大降低。因此，研究影响过氧化氢分解反应速率的因素显得尤为重要。
过氧化氢在常温常压下会自行缓慢分解成水和氧气。中学化学教材中一般使用二氧化锰作为催化剂，并且很少考虑到其他影响因素。事实上，影响过氧化氢反应速率的因素有许多，正是这些因素使过氧化氢在作火箭发动机推进剂、新型汽车发动机燃料时会造成浪费。
一些文献中曾提到，有些金属离子能催化过氧化氢，但并未做详细的调查。我推测还有更多的物质对过氧化氢有催化作用。在检索文献资料的基础上，我通过大量实验，分析并总结出过氧化氢催化剂的特性，以及其他影响过氧化氢分解反应速率的因素。
一、实验器材
各种规格的烧杯、试管，药匙，玻璃棒，托盘天平，水浴加温装置，温度计，气球，秒表。
二、实验试剂
30%过氧化氢（H2O2）、硫酸铜（CuSO4）、氯化铜（CuCl2）、硝酸铜[Cu（NO3）2]、氧化铜（CuO）、二氧化锰（MnO2）、高锰酸钾（KMnO4）、氯化铁（FeCl3）、硫酸亚铁（FeSO4）、三氧化二铁（Fe2O3）、重铬酸钾（K2Cr2O7）、三氧化二铬（Cr2O3）、氧化钴（CoO）、碘单质（I2）、碘化钾（KI）、氢氧化钙[Ca（OH）2]、氢氧化钾（KOH）、氢氧化钠（NaOH）、稀盐酸（HCl）、稀硫酸（H2SO4）、乙二酸（草酸）（C2H2O4）、硼酸（H3BO3）、血液（含有过氧化氢酶）、土豆丝（含有过氧化氢酶）等。
三、实验过程
1.分解过氧化氢的催化剂种类
用托盘天平称量5g待测物质粉末，分别为硫酸铜（CuSO4）、氯化铜（CuCl2）、硝酸铜[Cu（NO3）2]、氧化铜（CuO）、二氧化锰（MnO2）、高锰酸钾（KMnO4）、氯化铁（FeCl3）、硫酸亚铁（FeSO4）、三氧化二铁（Fe2O3）、重铬酸钾（K2Cr2O7）、三氧化二铬（Cr2O3）、氧化钴（CoO）、碘单质（I2）、碘化钾（KI）、血液、土豆丝等。
把5ml30%过氧化氢溶液倒入试管，在保证温度、气压等实验条件不变的情况下，将过氧化氢和待测物质粉末混合，观察现象。如明显有气泡产生，则此物质可作为过氧化氢的催化剂。
2.影响过氧化氢分解速率的因素
（1）混合均匀程度
用托盘天平称量两份5g催化剂粉末（硫酸铜），把5ml30%过氧化氢溶液倒入2支不同的试管，在保证其他实验条件不变的情况下，同时将两组催化剂粉末与过氧化氢混合，其中一组使用玻璃棒搅拌。观察记录两组催化反应速率。
（2）温度
分别把5ml30%过氧化氢溶液倒入4支套上了气球的具支试管，放在水浴装置上，在保证其他实验条件不变的情况下，按10℃为公差设置4个实验组。通过气球膨胀程度，观察记录各组的反应速率。
（3）催化剂浓度
用托盤天平称量两份1g和5g催化剂粉末（高锰酸钾）并配成相同体积的溶液，把5ml30%过氧化氢溶液倒入2支试管，在保证其他实验条件不变的情况下，同时将两组催化剂溶液与过氧化氢混合，观察记录各组的反应速率。
（4）酸碱度
用氢氧化钙[Ca（OH）2]、氢氧化钾（KOH）、氢氧化钠（NaOH）、稀盐酸（HCl）、稀硫酸（H2SO4）、乙二酸（草酸）（C2H2O4）、硼酸（H3BO3）分别配置8杯5ml不同酸碱度的溶液，把5ml30%过氧化氢溶液倒入7支不同的试管。在保证其他实验条件不变的情况下，按次序分别混合。再向第八个实验组同时加入碱和硫酸铜观察。记录不同实验组的反应速率。
四、实验结果
1.硫酸铜（CuSO4）、氯化铜（CuCl2）、硝酸铜[Cu（NO3）2]、氧化铜（CuO）、二氧化锰（MnO2）、高锰酸钾（KMnO4）、氯化铁（FeCl3）、硫酸亚铁（FeSO4）、三氧化二铁（Fe2O3）、重铬酸钾（K2Cr2O7）、三氧化二铬（Cr2O3）、氧化钴（CoO）、碘单质（I2）、碘化钾（KI）、血液、土豆丝都能作为过氧化氢的催化剂。碘化钾（KI）在反应后生成了少量碘单质。
通过查询相关知识，我发现金属钯的一些化合物也能催化过氧化氢。
2.使用玻璃棒搅拌的实验组反应速率更快。
3.水浴温度较高的实验组反应速率更快，并且温度每升高10℃，反应速率可提高2至4倍。
4.催化剂浓度较高的实验组反应速率更快。
5.溶液呈碱性的实验组总体反应快于溶液呈酸性的实验组。与其他实验组相比，既加入催化剂又加入碱的实验组反应速率明显快于前两个实验组，甚至会翻倍。
五、分析与结论
实验发现，钯、钴、铜、锰、铁、铬等变价过渡金属的化合物都对过氧化氢有催化作用，并且都是变价金属离子，因此我推测：变价金属离子对过氧化氢有催化作用，且催化效果在一定程度上随价态升高而升高。不过具体结论还需要进一步实验和讨论。
温度、酸碱度、浓度、反应物接触面积等因素都会影响过氧化氢催化反应的速率。在保证实验条件不变的情况下，增大反应浓度可以加快反应速率，温度升高能加快反应，混合均匀程度越高，反应物接触面积越大，催化速率越快。碱性环境下过氧化氢分解速率会加快，此时加入催化剂会出现叠加效应。
由此观之，在设计制造以过氧化氢为燃料的火箭发动机、新型汽车发动机时，应避免使用变价过渡金属材料，还应充分考虑光照、温度、酸碱度、浓度、接触面积等因素，避免在使用时造成浪费。
过氧化氢酶是过氧化氢良好的催化剂。在使用以过氧化氢为燃料的火箭发动机、新型汽车发动机时应保持环境干净，避免含有过氧化氢酶的物质侵入，造成过氧化氢的浪费。
碘单质或碘化钾等一些非金属物质也对过氧化氢有催化作用，因此在生产火箭发动机推进剂、新型汽车发动机燃料时应避免接触碘单质、碘化钾等。
过氧化氢在常温常压下会自行缓慢分解成水和氧气。中学化学教材中一般使用二氧化锰作为催化剂，并且很少考虑到其他影响因素。事实上，影响过氧化氢反应速率的因素有许多，正是这些因素使过氧化氢在作火箭发动机推进剂、新型汽车发动机燃料时会造成浪费。
一些文献中曾提到，有些金属离子能催化过氧化氢，但并未做详细的调查。我推测还有更多的物质对过氧化氢有催化作用。在检索文献资料的基础上，我通过大量实验，分析并总结出过氧化氢催化剂的特性，以及其他影响过氧化氢分解反应速率的因素。
一、实验器材
各种规格的烧杯、试管，药匙，玻璃棒，托盘天平，水浴加温装置，温度计，气球，秒表。
二、实验试剂
30%过氧化氢（H2O2）、硫酸铜（CuSO4）、氯化铜（CuCl2）、硝酸铜[Cu（NO3）2]、氧化铜（CuO）、二氧化锰（MnO2）、高锰酸钾（KMnO4）、氯化铁（FeCl3）、硫酸亚铁（FeSO4）、三氧化二铁（Fe2O3）、重铬酸钾（K2Cr2O7）、三氧化二铬（Cr2O3）、氧化钴（CoO）、碘单质（I2）、碘化钾（KI）、氢氧化钙[Ca（OH）2]、氢氧化钾（KOH）、氢氧化钠（NaOH）、稀盐酸（HCl）、稀硫酸（H2SO4）、乙二酸（草酸）（C2H2O4）、硼酸（H3BO3）、血液（含有过氧化氢酶）、土豆丝（含有过氧化氢酶）等。
三、实验过程
1.分解过氧化氢的催化剂种类
用托盘天平称量5g待测物质粉末，分别为硫酸铜（CuSO4）、氯化铜（CuCl2）、硝酸铜[Cu（NO3）2]、氧化铜（CuO）、二氧化锰（MnO2）、高锰酸钾（KMnO4）、氯化铁（FeCl3）、硫酸亚铁（FeSO4）、三氧化二铁（Fe2O3）、重铬酸钾（K2Cr2O7）、三氧化二铬（Cr2O3）、氧化钴（CoO）、碘单质（I2）、碘化钾（KI）、血液、土豆丝等。
把5ml30%过氧化氢溶液倒入试管，在保证温度、气压等实验条件不变的情况下，将过氧化氢和待测物质粉末混合，观察现象。如明显有气泡产生，则此物质可作为过氧化氢的催化剂。
2.影响过氧化氢分解速率的因素
（1）混合均匀程度
用托盘天平称量两份5g催化剂粉末（硫酸铜），把5ml30%过氧化氢溶液倒入2支不同的试管，在保证其他实验条件不变的情况下，同时将两组催化剂粉末与过氧化氢混合，其中一组使用玻璃棒搅拌。观察记录两组催化反应速率。
（2）温度
分别把5ml30%过氧化氢溶液倒入4支套上了气球的具支试管，放在水浴装置上，在保证其他实验条件不变的情况下，按10℃为公差设置4个实验组。通过气球膨胀程度，观察记录各组的反应速率。
（3）催化剂浓度
用托盤天平称量两份1g和5g催化剂粉末（高锰酸钾）并配成相同体积的溶液，把5ml30%过氧化氢溶液倒入2支试管，在保证其他实验条件不变的情况下，同时将两组催化剂溶液与过氧化氢混合，观察记录各组的反应速率。
（4）酸碱度
用氢氧化钙[Ca（OH）2]、氢氧化钾（KOH）、氢氧化钠（NaOH）、稀盐酸（HCl）、稀硫酸（H2SO4）、乙二酸（草酸）（C2H2O4）、硼酸（H3BO3）分别配置8杯5ml不同酸碱度的溶液，把5ml30%过氧化氢溶液倒入7支不同的试管。在保证其他实验条件不变的情况下，按次序分别混合。再向第八个实验组同时加入碱和硫酸铜观察。记录不同实验组的反应速率。
四、实验结果
1.硫酸铜（CuSO4）、氯化铜（CuCl2）、硝酸铜[Cu（NO3）2]、氧化铜（CuO）、二氧化锰（MnO2）、高锰酸钾（KMnO4）、氯化铁（FeCl3）、硫酸亚铁（FeSO4）、三氧化二铁（Fe2O3）、重铬酸钾（K2Cr2O7）、三氧化二铬（Cr2O3）、氧化钴（CoO）、碘单质（I2）、碘化钾（KI）、血液、土豆丝都能作为过氧化氢的催化剂。碘化钾（KI）在反应后生成了少量碘单质。
通过查询相关知识，我发现金属钯的一些化合物也能催化过氧化氢。
2.使用玻璃棒搅拌的实验组反应速率更快。
3.水浴温度较高的实验组反应速率更快，并且温度每升高10℃，反应速率可提高2至4倍。
4.催化剂浓度较高的实验组反应速率更快。
5.溶液呈碱性的实验组总体反应快于溶液呈酸性的实验组。与其他实验组相比，既加入催化剂又加入碱的实验组反应速率明显快于前两个实验组，甚至会翻倍。
五、分析与结论
实验发现，钯、钴、铜、锰、铁、铬等变价过渡金属的化合物都对过氧化氢有催化作用，并且都是变价金属离子，因此我推测：变价金属离子对过氧化氢有催化作用，且催化效果在一定程度上随价态升高而升高。不过具体结论还需要进一步实验和讨论。
温度、酸碱度、浓度、反应物接触面积等因素都会影响过氧化氢催化反应的速率。在保证实验条件不变的情况下，增大反应浓度可以加快反应速率，温度升高能加快反应，混合均匀程度越高，反应物接触面积越大，催化速率越快。碱性环境下过氧化氢分解速率会加快，此时加入催化剂会出现叠加效应。
由此观之，在设计制造以过氧化氢为燃料的火箭发动机、新型汽车发动机时，应避免使用变价过渡金属材料，还应充分考虑光照、温度、酸碱度、浓度、接触面积等因素，避免在使用时造成浪费。
过氧化氢酶是过氧化氢良好的催化剂。在使用以过氧化氢为燃料的火箭发动机、新型汽车发动机时应保持环境干净，避免含有过氧化氢酶的物质侵入，造成过氧化氢的浪费。
碘单质或碘化钾等一些非金属物质也对过氧化氢有催化作用，因此在生产火箭发动机推进剂、新型汽车发动机燃料时应避免接触碘单质、碘化钾等。