催化剂对过氧化氢溶液分解的影响分析.docVIP

促进H2O2 分解的各类催化剂的实验探究 江苏省江都中学 田薇 二、实验原理 H2O2分解的表观反应为2H2O2 → 2H2O + O2 ↑，温度、溶液浓度、催化剂等对这一分解过程均有不同程度的影响，本实验中着重分析催化剂这一因素的影响。 H2O2分解的催化剂有过氧化氢酶H2O2同时具有氧化性和还原性的特点，因此在有可变价态金属（如二氧化锰、氧化铜、Fe3+、Fe2+）存在的情况下，过氧化氢可交替与金属发生氧化反应和还原反应，最终结果为过氧化氢被催化生成H2O和O2，而金属离子不发生变化。例如：MnO2催化过氧化氢： MnO2被H2O2还原成Mn2+，同时H2O2被氧化产生O2，但Mn2+又可被氧化为MnO2，同时H2O2被还原成H2O，因而在反应前后似乎没有什么变化，如此往复循环，使反应得以继续进行。 另一方面，生物体中也存在催化过氧化氢分解的催化剂：过氧化氢酶。过氧化氢酶是分子量约25万的血红素铁蛋白，分子结构中包含四个Fe（Ⅲ）原卟啉基团。血红素中心的3价铁与卟啉的4个吡咯环上的N原子形成4个配位键,与血红素平面的近侧(朝向四聚体核心的一侧)Tyr的酚羟基形成第5个配位键。过氧化氢酶广泛存在于生物组织中，具有催化分解H2O2为H2O和O2的功能。许多植物如蓖麻子，番茄，菠菜，玉米，棉花等中存在着不同数目的CAT同工酶，少的有2种，多的达数10种。 酶催化反应的机理为：反应中酶的血红素卟啉环(Por)和铁先被H2O2氧化，生成Por·+ - Fe Ⅳ = O(大亚基酶) 或Por - FeⅣ -OH(小亚基酶),称为化合物Ⅰ(Cpd Ⅰ)。H2O2氧化,产生原来的酶,水和O2。H2O2+H2O2 2H2O+O2 H2O2分解的过程中有氧气生成，实验中可以通过检测放出气体的速率来判断反应进行的快慢。因为当H2O2分解反应在定容密闭容器中进行时，随着反应的进行，气体浓度增加，容器内压强随之增大。使用压强传感器测量并记录压强随时间变化的数据，从而可以绘制压强—时间的曲线，通过线性拟合后得到的直线的斜率可以判断反应速率的快慢。曲线斜率越大，反应速率越快，反之，越慢。 实验仪器及药品探世界万能数据采集器、气压传感器、电子天平、10mL移液管、磁力搅拌器、塑料注射器（5mL）、锥形瓶(250mL)、橡皮塞、量筒、研钵、100mL烧杯30％H2O2溶液、蒸馏水、MnO2粉末CuO粉末黄瓜，青菜，生菜，苋菜，西红柿，土豆牛奶，猪肝，苹果、酱油、白醋实验装置图实验步骤10mL30％H2O250mL蒸馏水混合配制成约5%的H2O2溶液，密封装好待用； （3）分别将黄瓜、青菜、菠菜等榨成汁，密封装好备用； （4）开启和设置数据采集器：端口1连接气压传感器；数据采集速率：1/s；采集总量：持续；显示模式：table； （5）根据研究需要将不同物质放入锥形瓶中，再加入4mL蒸馏水和搅拌磁子，将一注射器中的空气排空，另一注射器吸入2mL配好的H2O2溶液，安装备用； （6）开启磁力搅拌器，用中速采集，同时开启数据采集器，待读数稳定后，用另一注射器从锥形瓶中抽出2mL气体，同时注入2mLH2O2溶液，采集数据。待反应完全,数据稳定后，停止实验； （7）将采集到的数据导入电脑，得到反应前后压力随时间变化曲线图。取开始反应到气压基本不变一段的数据进行线性拟合处理，可求得分解反应的动力学方程。 六、实验数据与结果分析 （1）不同质量的MnO2粉末作为催化剂 依次取MnO2粉末0.05g、0.08g、0.1g，按上述实验步骤进行实验。 图1 不同量的MnO2对H2O2分解速率的影响 表1 不同量的MnO2催化H2O2溶液分解反应的动力学方程 0.02gMnO2 0.05gMnO2 0.08gMnO2 0.1gMnO2 p=2.26t+102573.21 p=4.65t+102172.64 p=5.74t+103219.11 p=9.35t+103535.69 比较图1中各曲线，结合反应速率常数，表明随着催化剂MnO2的量的不断增大，产生氧气的速率也不断的加快，即加快了过氧化氢溶液的分解。 （2）生活中的物质作为催化剂 图2 生活中的不同物质对H2O2分解速率的影响 表2 生活中的不同物质催化H2O2溶液分解反应的动力学方程 猪肝汁 土豆汁 青菜汁 苋菜汁 蚕豆汁 生菜汁 西红柿汁 牛奶 p=214.92t+103396.73 p=70.43t+100871.50 p=17.98+101201.089 p=9.55t+102839.55 p=8.71t+102575.76 p=4.52+102335.25 p=1.26t+101016.69 p=0.23t+101559.6