CN104667981A - 过氧化氢制备氧气的催化剂、制备方法及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种过氧化氢制备氧气的催化剂，由下列重量份数的组分制备而成，琼脂40-55份，二氧化锰20-40份，纯净水100-120份，高岭土4份，硅胶2份，芳纶1.5份，硬脂酸2份。多次的实验表明，该化学反应能够顺利、持续进行，反应速率适中，效果良好，完全可以满足演示实验和学生实验的要求。反应后的液体依然清澈、透明，滤除固体后可直接排放，基本无污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种催化剂，尤其是过氧化氢制备氧气教学实验的二氧化锰催化剂，以及该催化剂的制备方法和使用该催化剂的实验方法。
背景技术
在化学教科书中，介绍了氧气的实验室制法，并在讨论了实验室制法的选取原则和经过多种方法的比较之后，选定了一种比较理想的常用方法，设置了演示实验和学生的分组实验。实验原理是：在二氧化锰的催化下，使过氧化氢分解。反应的方程式
2H2O2====2H2O+O2↑
由于该反应的产物为氧气和水，没有污染，的确是一个比较环保，安全的好方法。但我们在实践中，特别是在氧气的实验室制法和性质的学生分组实验中，却发现了诸多弊端：
1.二氧化锰是极细的黑色粉末，加入过氧化氢溶液后，开始时反应速率很快，产生的气流瞬间冲出，几分钟后反应几乎停止，产生的气泡不均匀不连续，不利于氧气的收集和检验。
2. 实验结束后，由于难以将其中质量和化学性质在反应前后都没有改变的催化剂-----二氧化锰回收，学生们都将黑乎乎的液体倒入了废液缸，一个年级的十几个班，几十个班做下来，废液相当可观，最后不得已，废液全部倒入了下水道，其中大量完全可以再利用的二氧化锰就这样浪费掉了，更可怕的是会给环境带来极大的危害。
除此而外，该实验还存在一些小瑕疵如：不好控制反应的发生和停止，加进去的药品直至反应完全才会停止；学生在取用粉末时多有洒落，不易擦拭干净，污染试验台，一个班的实验完成后，容器、试验台不容易洗涤和擦拭干净，影响美观。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种使过氧化氢制备氧气实验缓慢可控的二氧化锰催化剂，该催化剂使用过程安全干净，又可以重复利用。
为解决上述技术问题，本发明的过氧化氢制备氧气的催化剂，由下列重量份数的组分制备而成，琼脂40-55份，二氧化锰20-40份，纯净水100-120份。
优选的，所述组分的质量分数为琼脂50份，二氧化锰25份，纯净水110份.
作为一种改进，所述催化剂还包括高岭土4份，硅胶2份。
作为一种改进，所述催化剂还包括芳纶1.5份，硬脂酸2份。
本发明的制备过氧化氢制备氧气的催化剂的方法，包括下列步骤，
第一步，将50质量份琼脂粉放入烧杯中，加入40℃纯净水80份，待其变为糊状；
第二步，将25份二氧化锰粉末分次一边搅拌一边缓缓加入其中，搅拌均匀；
第三步，加入高岭土4份，硅胶2份，加30份沸水搅拌2min，滴入0.1ML的盐酸；
第四步，加入芳纶1.5份，硬脂酸2份，调节PH值至7.5，将其放在电加热器上加热，加热过程中继续顺一个方向搅拌约10min，沸腾后再改为小火慢慢加热5min；
第五步，离火，继续搅拌待其中的气泡完全消失后，停止搅拌。放在阴凉处使其自然冷却、凝固约2h，完全凉透后即可取出。
本发明的过氧化氢制备氧气教学实验方法，在烧杯中倒入过氧化氢溶液，放入按照权利要求5的方法制备的块状二氧化锰氧化剂。
将能二氧化锰粉末分散在不溶于水的载体中制成块状或片状的固体且不影响该反应的进行,以上问题就会迎刃而解，为此我们进行了广泛的探究。在经历了无数次的失败后，我们终于找到了一种理想的载体——琼脂。经过反复试验我们发现，琼脂不与过氧化氢溶液反应，对该反应不会造成干扰。将琼脂与二氧化锰混合后的液体冷却凝固后，性质稳定，不易变质，质地不软不硬，可按需要很方便地用小刀切割成任意形状。加入高岭土和硅胶使得载体的软硬度适中，微量的硅胶与琼脂结合，使得载体的微孔使离子通过的程度更适合控制反应速度。载体中加入了芳纶，提高了载体的可塑性，使得加工后的载体边缘不易破碎，弹性适中。加入硬脂酸可以使载体存放时间更长。
该固体泡在水中或反应后的溶液中，根据20天的观察，无明显的溶解、脱落现象。由于琼脂具有可以使离子自由通过的性质，化学反应中不会出现诸如用难溶性胶水粘合，使反应受阻、反应速率减慢或停止等问题。多次的实验表明，该化学反应能够顺利、持续进行，反应速率适中，效果良好，完全可以满足演示实验和学生实验的要求。 反应后的液体依然清澈、透明，滤除固体后可直接排放，基本无污染。
具体实施方式
实施例1
本发明的过氧化氢制备氧气的催化剂，由下列重量份数的组分制备而成，琼脂40份，二氧化锰20份，纯净水110份。
实施例2
本发明的过氧化氢制备氧气的催化剂，由下列重量份数的组分制备而成，琼脂55份，二氧化锰40份，纯净水120份，高岭土4份，硅胶2份。
实施例3
本发明的过氧化氢制备氧气的催化剂，由下列重量份数的组分制备而成，琼脂50份，二氧化锰25份，纯净水110份，高岭土4份，硅胶2份，芳纶1.5份，硬脂酸2份。
本发明的制备过氧化氢制备氧气的催化剂的方法，包括下列步骤，
第一步，将50质量份琼脂粉放入烧杯中，加入40℃纯净水80份，待其变为糊状；
第二步，将25份二氧化锰粉末分次一边搅拌一边缓缓加入其中，搅拌均匀；
第三步，加入高岭土4份，硅胶2份，加30份沸水搅拌2min，滴入0.1ML的盐酸；
第四步，加入芳纶1.5份，硬脂酸2份，调节PH值至7.5，将其放在电加热器上加热，加热过程中继续顺一个方向搅拌约10min，沸腾后再改为小火慢慢加热5min；
第五步，离火，继续搅拌待其中的气泡完全消失后，停止搅拌。放在阴凉处使其自然冷却、凝固约2h，完全凉透后即可取出。
本发明的过氧化氢制备氧气教学实验方法，在烧杯中倒入过氧化氢溶液，放入按照上述方法制备的块状二氧化锰氧化剂。
本实验方法的优点为：
1. 实验操作更简单，药品的加入更方便，实验过程中产生的气体平稳而持久，方便收集。如果在简易启普发生器中进行，还可以很好地控制反应的发生与结束。
2. 实验后能很方便的将块状（片状）二氧化锰分离出来，反复使用（对于学生实验尤其方便）且可以冲洗晾干保存备用。反应后的液体依然清澈、透明，滤除固体后可直接排放，基本无污染。这就很好地解决了二氧化锰的回收问题，大大节约了药品，对于降低成本，减少环境污染具有重大的意义。
3.可以更方便的验证二氧化锰是该反应的催化剂。
粉末状二氧化锰催化剂制备氧气，与以上三个实施例中制备的催化剂，实验数据如下表：
| 反应时间 | 可控程度 | 载体可塑性 | 催化剂保存时间 | 催化剂可使用次数 | |
| 粉末状二氧化锰 | 4分钟 | 完全不可控 | 不可塑 | 不能重复利用 | 不能重复利用 |
| 实施例1 | 10分钟 | 可控 | 边角易破损 | 40天 | 60次 |
| 实施例2 | 15分钟 | 可控 | 边角不易破损 | 40天 | 80次 |
| 实施例3 | 12分钟 | 可控 | 边角不易破损 | 80天 | 100次 |
Claims (6)
1.一种过氧化氢制备氧气的催化剂，其特征在于：由下列重量份数的组分制备而成，琼脂40-55份，二氧化锰20-40份，纯净水100-120份。
2.按照权利要求1所述的过氧化氢制备氧气的催化剂，其特征在于：所述组分的质量分数为琼脂50份，二氧化锰25份，纯净水110份。
3.按照权利要求2所述的过氧化氢制备氧气的催化剂，其特征在于：所述催化剂还包括高岭土4份，硅胶2份。
4.按照权利要求3所述的过氧化氢制备氧气的催化剂，其特征在于：所述催化剂还包括芳纶1.5份，硬脂酸2份。
5.一种制备过氧化氢制备氧气的催化剂的方法，其特征在于：包括下列步骤，
第一步，将50质量份琼脂粉放入烧杯中，加入40℃纯净水80份，待其变为糊状；
第二步，将25份二氧化锰粉末分次一边搅拌一边缓缓加入其中，搅拌均匀；
第三步，加入高岭土4份，硅胶2份，加30份沸水搅拌2min，滴入0.1ML的盐酸；
第四步，加入芳纶1.5份，硬脂酸2份，调节PH值至7.5，将其放在电加热器上加热，加热过程中继续顺一个方向搅拌约10min，沸腾后再改为小火慢慢加热5min；
第五步，离火，继续搅拌待其中的气泡完全消失后，停止搅拌，放在阴凉处使其自然冷却、凝固约2h，完全凉透后即可取出。
6.一种过氧化氢制备氧气教学实验方法，其特征在于：在烧杯中倒入过氧化氢溶液，放入按照权利要求5的方法制备的块状二氧化锰氧化剂。
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