不同的催化剂对氯酸钾分解反应的影响

【摘要】催化剂的应用历史很长，特别在石油化工、精细化工、有机化工和生物化工中，可以说，催化技术已成为化学工业中最关键的核心技术之一。在中学化学实验中，催化剂也是最常用的。本文以实验为基础，理论为依托，以不同的催化剂对氯酸钾分解反应的影响，具体讨论了催化剂在中学化学实验当中的具体应用；深入的阐述了催化剂在化学反应中的重要作用；理论说明了催化剂在化学反应变化中的实质，在深入探讨和研究催化剂方面有积极的指导意义。

【关键词】中学 化学 实验 催化剂 作用

【中图分类号】G633.8 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）12-0167-02

一、问题的提出

在初中化学中，我们学过氯酸钾分解制取氧气的反应需要用二氧化锰作催化剂。高中化学的第一个分组实验《化学实验基本操作（一）》，又让我们用自制的氧化铜作氯酸钾分解反应的催化剂。除二氧化锰和氧化铜以外，是否还有其他物质可以用作该反应的催化剂呢？为此我们围绕氯酸钾分解反应催化剂的问题进行了一些初步的研究。

二、研究中几个要素的确定

1.关于备选催化剂：资料表明能作氯酸钾分解反应催化剂的大多是氧化物，我校化学实验室里备有的氧化物有Al2O3、Cr2O3、CuO、Cu2O、Fe2O3、Fe3O4、MnO2、SiO2、ZnO等，我们决定就试验这些氧化物对氯酸钾分解反应的影响。

2.关于实验装置（图略）：为了便于测量反应产生气体的体积，我们将初中制氧装置中的集气瓶换成500 ml的量筒，并用秒表记录反应产生一定量气体时所需的时间。因氯酸钾的熔点为365℃，实验中我们发现当催化剂少于一定量时反应混合物会因氯酸钾的熔化而流动，因此，我们又抬高装置中的试管口，使其略高于试管底部（如图1）。

3.关于氯酸钾的用量：我们进行实验时，实验室的气压约为760.8 mmHg，室温为9.7 ℃，气体摩尔体积约为23.2 L/mol，为了便于实验中产生的氧气能收集在500 ml的量筒内，我们选择氯酸钾的质量为1.5 g。

4.关于催化剂的用量：受实验室条件的限制，我们将催化剂的最低限量确定为0.1 g。

5.关于记录的起点：为了便于控制和比较，从预热反应混合物起就开始收集气体，并记录反应时间。

三、实验及数据

1.分别取与各充分混合，然后放在装置中加热，把反应到产生气体的速率明显变缓时需要的时间、收集到气体的体积及反应时的现象记入表

2.分别取1.5 g KClO3与各3.0 g、1.5 g、1.0 g、0.5 g、0.3 g、0.1 g的CuO充分混合后共热，把气体收集到350 ml时所需要的时间记入表2，并记录反应混合物在熔化时的流动性。

3.分别用代替CuO重复实验2的操作，有关现象也记入表。

四、结论和讨论

1.具有还原性的金属氧化物不宜作氯酸钾分解反应的催化剂。由表 1中反应混合物的颜色在反应前后的变化可知，等在加热时均能被或分解产生的所氧化。从颜色的变化上看，氧化成了CuO，氧化成了。关于被的氧化，有资料表明发生的反应为。由于这些具有还原性的氧化物在反应中被氧化，从而影响了氧气的产率，甚至产生了其他气体，因此它们不宜做氯酸钾分解反应的催化剂。另外，SiO2对氯酸钾分解的催化效率也比较差。除此之外的Al2O3、CuO、Fe2O3、MnO2和ZnO等都可作为氯酸钾分解反应的催化剂，其中加快反应速率的程度优于。

2.催化剂对反应的催化效率存在适宜的质量比。随催化剂用量的减少，也就是随m（KClO3）：m（催化剂）由小到大的变化，收集350ml气体所需要的时间都发生由多到少再到多的变化。因此，同种催化剂对同一反应速率的改变与催化剂的用量也有关系，而不同的催化剂对同一反应速率的改变有着各自的适宜质量比。从我们所进行的实验看，氯酸钾与几种催化剂之间的适宜质量比分别是。其中，在催化相同质量的氯酸钾分解反应的过程中，Fe2O3的催化效率要高于CuO和MnO2，这可能是由于Fe2O3粉末相对疏松而且密度较小的缘故。

3.催化剂的用量要考虑阻止熔融状氯酸钾流动的问题。氯酸钾的熔点为365℃，在酒精灯加热时能熔成液态，为了防止催化剂用量较少时，氯酸钾与催化剂形成的熔合物因流动离开被加热的试管底部而影响实验的进行，本研究中采用了试管口略高于试管底的方式，但这样的装置不符合实验常规，也不便于防止可能有的水蒸气冷凝后的回流。因此实验室进行氧气制取实验时，催化剂用量的多少要考虑阻止熔融状氯酸钾流动的问题。由表2记录的现象可知，以CuO或MnO2作催化剂时，氯酸钾与催化剂的质量比应小于1：0.33；以Fe2O3作催化剂时，氯酸钾与Fe2O3的质量比应小于1：0.2。

4.关于气体产物中氯气和白雾的防止。有资料表明，MnO2催化氯酸钾分解反应制得的氧气中含有少量氯气，是由于氯气是反应的中间产物；同时，用排水集气法收集到的氧气中含有白雾也主要是其中混有氯气的缘故。但是，用其他氧化物作催化剂时，有的也有较浓的氯气味，而有的氯气味则较淡，其中的原因我们暂时还不能解释。有人曾建议采用在MnO2和氯酸钾的混合物中添加消石灰的方法，来消除氧气中混有的氯气。从我们实验的情况来看，Al2O3、Fe2O3、ZnO等作氯酸钾分解反应的催化剂时，制得的氧气中氯气的含量相对较低，白雾也很少。综上，在我们所试验的氧化物中，Fe2O3是氯酸钾分解制取氧气反应的较为理想的催化剂，其适宜用量为氯酸钾的30 %左右。