過(guò)氧化氫（雙氧水）可以分解生成水和氧氣，一般條件下，水不容易再分解。過(guò)氧化氫常溫下即可分解，只是比較慢，但久置后會(huì)稀很多。此外，加入二氧化錳等等作催化劑能加快分解速度。

一、過(guò)氧化氫制取氧氣改進(jìn)實(shí)驗(yàn)

(一)實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)

1、改進(jìn)后實(shí)驗(yàn)裝置用20mL注射器將過(guò)氧化氫溶液加入250mL輸液瓶中，將二氧化錳配置成懸濁液，用20mL注射器注入輸液袋中，然后把輸液瓶與輸液袋用輸液管連接起來(lái)，裝置如下圖所示。

2、實(shí)驗(yàn)儀器250mL輸液瓶1個(gè)、輸液袋、水槽、藥匙、集氣瓶、玻璃片、鐵架臺(tái)、20mL注射器2個(gè)、輸液管1根。

(二)反應(yīng)過(guò)程的改進(jìn)

1、實(shí)驗(yàn)原理：過(guò)氧化氫在二氧化錳做催化劑的條件下分解生成氧氣和水。

2、實(shí)驗(yàn)藥品改進(jìn)

(1)過(guò)氧化氫

①用20mL注射器將過(guò)氧化氫溶液加入250mL輸液瓶中。

②過(guò)氧化氫溶液的濃度最好是15%左右。

設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)探究過(guò)氧化氫溶液濃度對(duì)分解速率的影響：在4支試管中分別加入0.5g二氧化錳，然后依次加入濃度是5%、10%、15%、20%的過(guò)氧化氫溶液各20ml，并記錄收集50ml氧氣所用的反應(yīng)時(shí)間，數(shù)據(jù)如下表所示：

分析表中數(shù)據(jù)可知，過(guò)氧化氫溶液濃度低于15%，反應(yīng)太慢，高于15%反應(yīng)較快，并且反應(yīng)速度基本穩(wěn)定。所以，考慮反應(yīng)速度的控制，過(guò)氧化氫溶液的濃度最好是15%。

③加入15%過(guò)氧化氫溶液的量。我們?cè)O(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)探究不同量的15%過(guò)氧化氫溶液收集的氧氣量：在4支裝有二氧化錳的試管中依次加入5ml、10ml、15ml、20ml的15%過(guò)氧化氫溶液，并記錄下收集到的氧氣量(用50ml集氣瓶收集)，數(shù)據(jù)如下表所示：

分析表中數(shù)據(jù)可知，大約15ml15%過(guò)氧化氫溶液可以收集50ml氧氣。

(2)二氧化錳

①二氧化錳用量在0.4g-0.5g為宜。

設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)探究二氧化錳的量對(duì)過(guò)氧化氫溶液分解速率的影響：在5支試管中分別加入0.1g、0.2g、0.3g、0.4g、0.5g二氧化錳，再依次加入15%過(guò)氧化氫溶液15ml，并記錄收集50ml氧氣所用的時(shí)間，數(shù)據(jù)如下表：

分析表中數(shù)據(jù)可知，二氧化錳質(zhì)量大于0.4g以后，過(guò)氧化氫溶液分解速率就不變了，所以二氧化錳用量定在0.4g-0.5g。

②將二氧化錳配制成懸濁液用注射器加入輸液袋中。

3、反應(yīng)場(chǎng)所改進(jìn)：打開(kāi)輸液瓶下方的開(kāi)關(guān)讓過(guò)氧化氫溶液進(jìn)入輸液袋中，與二氧化錳接觸，在輸液袋中反應(yīng)。

4、實(shí)驗(yàn)步驟

①檢查裝置氣密性。

②將過(guò)氧化氫溶液加入輸液瓶中，將二氧化錳懸濁液用注射器注入輸液袋中。

③打開(kāi)輸液瓶下端的止水夾和輸液袋上的止水夾。

現(xiàn)象：水槽里面的水中有氣泡冒出。

④用排水法收集氧氣。

(三)改進(jìn)后裝置優(yōu)點(diǎn)

1、安全性提高。本實(shí)驗(yàn)用到的醫(yī)用輸液瓶、輸液袋、注射器、輸液管都是塑料制品，不容易破碎，另外絕不用擔(dān)心液體會(huì)飛濺出來(lái)，保證了實(shí)驗(yàn)的安全性。

2、節(jié)省藥品。輸液瓶里面的二氧化錳可以多次使用，損失的可能性也非常小;用過(guò)后拔掉輸液管，里面的氧氣不會(huì)擴(kuò)散到空氣中，下次使用可以減少過(guò)氧化氫的使用量。

3、密封性好。不論是輸液瓶、輸液袋還是輸液管密封性能都很好，并且輸液瓶和輸液袋之間用輸液管連接緊密，不會(huì)漏氣。

4、反應(yīng)易于控制。反應(yīng)物過(guò)氧化氫與催化劑二氧化錳分開(kāi)放置，連接他們的輸液管上有開(kāi)關(guān)，并且輸液瓶上有刻度，可以根據(jù)制取氧氣的量控制流入過(guò)氧化氫溶液的量，兩個(gè)止水夾可以使反應(yīng)隨時(shí)發(fā)生隨時(shí)停止。

5、操作簡(jiǎn)便。裝置連接簡(jiǎn)單，裝置氣密性幾乎不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，與實(shí)驗(yàn)室制取氧氣的任何裝置相比較，簡(jiǎn)便易操作。

6、降低實(shí)驗(yàn)成本，節(jié)約資金。輸液瓶、輸液袋和注射器都便宜很好找，可反復(fù)使用，尤其適合實(shí)驗(yàn)器材缺乏的農(nóng)村學(xué)校。

7、適合學(xué)生做實(shí)驗(yàn)用，提高了實(shí)驗(yàn)成功率在實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)員只要取掉針頭，分發(fā)到學(xué)生手中，講清楚原理學(xué)生可提前組裝，實(shí)驗(yàn)時(shí)只要按照操作步驟，一名學(xué)生就可完成，隨即就可以進(jìn)行氧氣性質(zhì)的驗(yàn)證。

8、此裝置還可以制取氫氣、二氧化碳等用固液不加熱裝置制取的氣體。

二、過(guò)氧化氫分解速率影響因素

雙氧水作為一種“綠色”試劑，廣泛應(yīng)用于化工、紡織、造紙、軍工、電子、航天、醫(yī)藥、建筑及環(huán)境保護(hù)等行業(yè)。由于雙氧水分子結(jié)構(gòu)的低對(duì)稱(chēng)性及過(guò)氧鍵的存在，造成雙氧水容易發(fā)生自分解反應(yīng)。同時(shí)，高濃度雙氧水溶液對(duì)雜質(zhì)特別敏感，許多有機(jī)和無(wú)機(jī)雜質(zhì)都會(huì)使其催化分解。因此，如何合理使用雙氧水將是這類(lèi)清潔試劑推廣的主要因素。

(一)實(shí)驗(yàn)部分

1、主要試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)所用試劑有KMnO4、Na2C2O2、CuSO4、MnSO4、ZnSO4、NaOH等均為分析純，其中Na2C2O2需干燥后使用。

采用的儀器主要有DELTA 320 pH計(jì)。

2、溶液的標(biāo)定

(1)高錳酸鉀溶液的標(biāo)定

用草酸鈉為基準(zhǔn)物來(lái)間接標(biāo)定高錳酸鉀溶液。準(zhǔn)確稱(chēng)量0.07g草酸鈉，取50mL水、5mL 3mol/L硫酸于100mL錐形瓶中，在75℃水浴條件下加熱2min，使草酸鈉完全溶解后開(kāi)始滴加高錳酸鉀溶液，直至溶液顏色變?yōu)榉奂t色時(shí)即為反應(yīng)終點(diǎn)。

在酸性條件下，草酸鈉與高錳酸鉀的反應(yīng)式為:

(2)雙氧水溶液的標(biāo)定

用標(biāo)定后的高錳酸鉀溶液作為基準(zhǔn)物標(biāo)定雙氧水溶液。移取0.5mL雙氧水于錐形瓶后依次加入50mL蒸餾水、10mL 3mol/L的硫酸，用標(biāo)定后的高錳酸鉀溶液標(biāo)定雙氧水，當(dāng)溶度由無(wú)色變?yōu)榉奂t色時(shí)即為滴定終點(diǎn)。

在酸性條件下，高錳酸根與雙氧水反應(yīng)為:

3、溫度對(duì)雙氧水分解速率的影響

量取40mL雙氧水于三頸瓶中，升溫至40℃，保持溫度且分別于0、5、10、20、30、40、50、70、90min時(shí)測(cè)定雙氧水濃度。同理測(cè)定50℃，60℃溫度下不同時(shí)間雙氧水濃度。

4、pH對(duì)雙氧水分解速率的影響

量取40mL雙氧水于三頸瓶中，調(diào)節(jié)溶液pH=6.0后升溫至60℃，保持溫度且分別于0、20、40、60、80、100min時(shí)測(cè)定雙氧水濃度。

同理測(cè)定pH=3.6、pH=4.5條件下不同時(shí)間雙氧水濃度。

5、不同金屬離子對(duì)雙氧水的催化作用

在裝有40mL雙氧水的三頸瓶中加入一定濃度的Cu2+溶液后升溫至60℃，保持溫度且分別于0、20、40、50、60、80、100、120、140、160、180min時(shí)測(cè)定雙氧水濃度。

同理測(cè)定不同濃度Mn2+，Zn2+的雙氧水在相同條件不同時(shí)間下的濃度。

(二)結(jié)果與討論

1、溫度對(duì)雙氧水分解速率的影響

在相同條件下，反應(yīng)速率常數(shù)k=α*exp(-Ea/RT)，表明溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的主要因素，即:速率常數(shù)k是一個(gè)與溫度相關(guān)的函數(shù)。由下圖可知，與40、50℃相比，60℃時(shí)雙氧水的分解速率稍快，說(shuō)明隨著溫度的增加雙氧水的分解速率也隨之增加，但是分解速率也較慢?？傮w來(lái)說(shuō)，溫度對(duì)雙氧水的分解無(wú)較大影響。因此，若無(wú)其他催化條件的影響，雙氧水在40℃以下能夠保持穩(wěn)定。

2、pH對(duì)雙氧水分解速率的影響

由下圖可知，pH=5.95時(shí)，雙氧水的分解速率較快，而隨著pH值的減小，雙氧水的分解速率降低，當(dāng)pH=3.61時(shí)雙氧水分解速率接近零，表明當(dāng)pH 3.5時(shí)，雙氧水已經(jīng)能夠保持穩(wěn)定。

3、金屬離子對(duì)雙氧水分解速率的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬離子引入反應(yīng)體系中十分常見(jiàn)，如反應(yīng)器本身或在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、生產(chǎn)過(guò)程中都可能帶入金屬離子，因此，研究幾種常見(jiàn)的金屬離子對(duì)雙氧水分解速率的影響具有十分重要的意義。

①銅離子對(duì)雙氧水分解速率的影響

由下圖可知，加入銅離子后雙氧水的分解速率明顯加快，且濃度不同其催化能力也不同。銅離子濃度越大，雙氧水的分解速率越快，即催化作用越強(qiáng)。

②錳離子對(duì)雙氧水分解速率的影響

由下圖可知，加入錳離子后雙氧水的分解速率無(wú)明顯變化，說(shuō)明錳離子對(duì)雙氧水的分解沒(méi)有催化作用。

③鋅離子對(duì)雙氧水分解速率的影響

由下圖可知，加入鋅離子后雙氧水的分解速率無(wú)明顯變化，說(shuō)明鋅離子對(duì)雙氧水的分解同樣沒(méi)有催化作用。

(三)結(jié)論

通過(guò)對(duì)雙氧水在不同條件下分解速率的研究，得出3個(gè)方面的結(jié)論:

①隨著溫度的升高，雙氧水的分解速率稍有加快，但總體來(lái)說(shuō)分解速率仍較慢，因此雙氧水在室溫條件下較為穩(wěn)定，可長(zhǎng)久保存;

②雙氧水在弱酸性和堿性條件下表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，快速分解，但是在PH 3.5的強(qiáng)酸性條件下雙氧水是穩(wěn)定的，因此，雙氧水必須保持在酸性條件下，以維持其穩(wěn)定性;

③銅離子對(duì)雙氧水有明顯的催化作用，能大大加快它的分解，而Mn2+、Zn2+對(duì)雙氧水無(wú)明顯的催化作用，因此雙氧水要絕對(duì)避免引入Cu2+，以維持雙氧水的穩(wěn)定性。

三、過(guò)氧化氫分解催化劑

在當(dāng)下各行業(yè)大都是利用過(guò)氧化氫作為聚合物引發(fā)劑、氧化劑、交聯(lián)劑和漂白劑等，作為綠色化工產(chǎn)品，新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷出現(xiàn)。大量使用勢(shì)必造成廢水含有過(guò)氧化氫，這就要求必須把過(guò)氧化氫殘留物清除，達(dá)到以減少?gòu)U水中過(guò)氧化氫對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響為目的。

解決的辦法是尋找優(yōu)良新型催化劑，催化分解從而除去過(guò)氧化氫。能使過(guò)氧化氫催化分解的物質(zhì)很多，現(xiàn)今，用金屬配合物作為模擬酶的研究方向是主流，在利用人工合成的化學(xué)品模擬過(guò)氧化氫酶這一過(guò)程中。

1、過(guò)氧化氫酶

過(guò)氧化氫酶作為一種氧化還原酶，普遍的于生物組織中存在，它的功能就是催化細(xì)胞內(nèi)過(guò)氧化氫分解，防止膜脂過(guò)氧化進(jìn)而可以保護(hù)細(xì)胞避免受體內(nèi)代謝物的破壞，其作為一種催化轉(zhuǎn)化能力最高的酶，可以極高的速率催化分解過(guò)氧化氫為水和氧氣，可以達(dá)到一分子過(guò)氧化氫酶每分鐘能催化500萬(wàn)分子過(guò)氧化氫。

過(guò)氧化氫酶的區(qū)分類(lèi)別是，一種真核過(guò)氧化氫酶和原核過(guò)氧化氫酶。真核過(guò)氧化氫酶主要來(lái)自植物和動(dòng)物組織，包括哺乳動(dòng)物組織中過(guò)氧化氫酶含量差異很大，肝臟含量最高，最低是結(jié)締組織的含量，在組織細(xì)胞內(nèi)過(guò)氧化氫酶主要存在于細(xì)胞器。微生物是原核過(guò)氧化氫酶的來(lái)源體。過(guò)氧化氫酶是存在于幾乎所有的需氧微生物中，只有極少數(shù)的不存在過(guò)氧化氫酶，例如過(guò)氧化醋桿菌(A.peroxydas)。

根據(jù)他們的理化特性差異，可以將過(guò)氧化氫酶劃分為典型性、非典型性和過(guò)氧化氫酶-過(guò)氧化物酶(catalase-peroxidases)，通常認(rèn)為這也是一種符合進(jìn)化關(guān)系的劃分。根據(jù)催化中心結(jié)構(gòu)差異可大致分為兩類(lèi)：

①含鐵卟啉結(jié)構(gòu)過(guò)氧化氫酶，又稱(chēng)鐵卟啉酶;

②含錳離子替代鐵的卟啉結(jié)構(gòu)，又稱(chēng)為錳過(guò)氧化氫酶。

用過(guò)氧化氫來(lái)替代氯氣這種含毒的漂白劑，用以工業(yè)漂白和消毒產(chǎn)品，這是從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始的，并且生產(chǎn)紙張和其他工業(yè)產(chǎn)品的工廠普遍開(kāi)始使用過(guò)氧化氫作為有毒氯氣的替代品來(lái)作為漂白和消毒產(chǎn)品。過(guò)氧化氫可以用來(lái)消除有害細(xì)菌在新鮮的蔬菜和水果，如大腸桿菌和沙門(mén)氏菌，還可用于消毒產(chǎn)品等。

在去除殘留過(guò)氧化氫生產(chǎn)流程的過(guò)程中，人們逐漸把注意力轉(zhuǎn)向酶的催化效率高，過(guò)氧化氫酶被大規(guī)模的使用在醫(yī)藥和食品、紡織等行業(yè)。過(guò)氧化氫酶酶制劑的應(yīng)用會(huì)逐漸的普及并將逐步取代蛋白酶水解酶在紡織等行業(yè)的使用。

2、金屬及金屬氧化物

金屬鉑能作為過(guò)氧化氫催化分解物質(zhì)。

有學(xué)者采用鉑催化法分解過(guò)氧化氫。結(jié)果表明，鉑催化法能在50℃以下分解破壞過(guò)氧化氫，催化速度與鉑催化表面積成正比，同時(shí)不造成钚價(jià)態(tài)的變化，要控制他的分解速度方法就是依靠溫度來(lái)控制，這種方法與加熱分解法相比具有破壞速度平穩(wěn)且钚價(jià)態(tài)不變等優(yōu)點(diǎn)。采用鉑催化分解法在常溫就能使過(guò)氧化氫分解，分解速度和鉑的催化表面積有著直接關(guān)系，其隨溫度增加而增加。

鐵的氧化物具有高的催化分解過(guò)氧化氫活性。

有學(xué)者通過(guò)對(duì)過(guò)氧化氫催化分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究，通過(guò)這可以看出磁化合成鐵氧體的催化效率有著很高的效果。并探討了催化作用機(jī)理?？紤]到反應(yīng)物(過(guò)氧化氫)是反磁性，而生成物(氧氣)是順磁性，若無(wú)外部條件影響，涉及磁性的量子態(tài)不會(huì)自動(dòng)變化，上述反應(yīng)也不會(huì)自動(dòng)發(fā)生;而某種磁狀態(tài)的觸發(fā)有可能影響該類(lèi)反應(yīng)。

3、金屬配合物

金屬配合物及其Schiff堿類(lèi)化合物的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛推廣，并在醫(yī)學(xué)和催化、分析化學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域使用及推廣。利用Schiff堿具有的抑菌和殺菌、抗腫瘤、抑制病毒的生物活性廣泛使用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域;催化領(lǐng)域Schiff堿中的鈷和鎳也是一種催化劑，不過(guò)是作為配合物來(lái)使用;Schiff堿也可以是一種銅的緩蝕劑被利用在腐蝕領(lǐng)域;同時(shí)，Shciff堿利用其特性基因在光致變色領(lǐng)域中也有很好的使用方式。

Schiff堿作催化劑主要應(yīng)用于聚合反應(yīng)、不對(duì)稱(chēng)催化環(huán)丙烷化反應(yīng)以及烯烴催化氧化方面和電催化領(lǐng)域。另外，最近研究表明，有些含O、N的Schiff堿金屬配合物還具有仿酶催化活性。Schiff堿的過(guò)渡金屬配合物(其中配合物所選的金屬離子主要為Cu(II)、Mn(II)、Co(II)等離子)在各個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其是醫(yī)藥領(lǐng)域以及生命領(lǐng)域內(nèi)都具有極為廣泛的應(yīng)用范圍。

有學(xué)者制備出6種具有催化效果的希夫堿金屬配合物，并研究分析了希夫堿金屬配合物對(duì)過(guò)氧化氫分解的催化作用并將其應(yīng)用于棉織物等浸漬漂白等工藝，考察其催化效果。

實(shí)驗(yàn)表明，在沒(méi)有催化劑的情況下，過(guò)氧化氫條件下的低溫和低堿分解速率非常緩慢，遠(yuǎn)低于要求的漂白。添加催化劑，雙氧水分解率有了明顯的提高，這就解釋了希夫堿金屬配合物具有良好的催化分解過(guò)氧化氫的影響。

催化劑的催化效果有著明顯的差別，即使是在同樣的外部條件下進(jìn)行，不過(guò)總體來(lái)說(shuō)催化劑的催化效果為銅配合物好于鈷配合物，鈷配合物好于錳配合物，同時(shí)他也考查了特定穩(wěn)定劑加配合物催化劑改進(jìn)的氧漂汽蒸工藝對(duì)織物損傷較小，具有一定節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)。

有學(xué)者也合成了如：乙酰胺合銅、二丙酮縮乙二胺合銅，乙二胺合銅等新型配合物、其中乙二胺合銅還培養(yǎng)出來(lái)了單晶，并考察了不同條件下催化劑對(duì)雙氧水分解的影響，實(shí)驗(yàn)表明催化活性都非常優(yōu)秀，并能多次重復(fù)使用。

4、雜多酸及其鹽

有學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，十二鉬磷酸對(duì)H2O2分解幾乎無(wú)活性，而其鹽類(lèi)(Fe3+、Cu2+、Co2+、Mn2+)則都有很好的活性，認(rèn)為活性種是雜多酸鹽的抗衡陽(yáng)離子。如在雜多酸陰離子中引入V，部份的取代鉬，不僅催化劑活性隨V的取代數(shù)有規(guī)律地增加，而且，動(dòng)力學(xué)曲線具有S-型特征，表明反應(yīng)中活性中心-陰離子中的釩和底物作用生成活性中間體。

5、復(fù)合體系催化劑

兩種及兩種以上物質(zhì)組成，其中至少一種具有催化活性，另一種具有促進(jìn)作用，這樣的催化劑叫復(fù)合體系催化劑。陳小斌等研究發(fā)現(xiàn)碘化鉀和鎢酸鈉一定比例混合物有著強(qiáng)烈的催化分解作用，其作用條件是在堿性條件下進(jìn)行，這些復(fù)合體系對(duì)過(guò)氧化氫的催化分解有著明顯的共同促進(jìn)效果。分析出了催化劑對(duì)催化雙氧水分解速度的影響。

當(dāng)?shù)饣浥c鎢酸鈉物質(zhì)的量比為5：5～6：4時(shí)，催化活性最高。給出了催化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程，計(jì)算得到反應(yīng)的Arrhenius活化能Ea=24.4KJ·mol·L-1，并對(duì)催化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了合理的推測(cè)。