過氧化氫（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。過氧化氫常溫下即可分解，只是比較慢，但久置后會稀很多。此外，加入二氧化錳等等作催化劑能加快分解速度。

一、過氧化氫制取氧氣改進(jìn)實(shí)驗

(一)實(shí)驗裝置的改進(jìn)

1、改進(jìn)后實(shí)驗裝置用20mL注射器將過氧化氫溶液加入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，裝置如下圖所示。

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

(二)反應(yīng)過程的改進(jìn)

1、實(shí)驗原理：過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)驗藥品改進(jìn)

(1)過氧化氫

①用20mL注射器將過氧化氫溶液加入250mL輸液瓶中。

②過氧化氫溶液的濃度最好是15%左右。

設(shè)計如下實(shí)驗探究過氧化氫溶液濃度對分解速率的影響：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%的過氧化氫溶液各20ml，并記錄收集50ml氧氣所用的反應(yīng)時間，數(shù)據(jù)如下表所示：

分析表中數(shù)據(jù)可知，過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，過氧化氫溶液的濃度最好是15%。

③加入15%過氧化氫溶液的量。我們設(shè)計了如下實(shí)驗探究不同量的15%過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)計如下實(shí)驗探究二氧化錳的量對過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%過氧化氫溶液15ml，并記錄收集50ml氧氣所用的時間，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)場所改進(jìn)：打開輸液瓶下方的開關(guān)讓過氧化氫溶液進(jìn)入輸液袋中，與二氧化錳接觸，在輸液袋中反應(yīng)。

4、實(shí)驗步驟

①檢查裝置氣密性。

②將過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)心液體會飛濺出來，保證了實(shí)驗的安全性。

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;用過后拔掉輸液管，里面的氧氣不會擴(kuò)散到空氣中，下次使用可以減少過氧化氫的使用量。

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，不會漏氣。

4、反應(yīng)易于控制。反應(yīng)物過氧化氫與催化劑二氧化錳分開放置，連接他們的輸液管上有開關(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氧化氫溶液的量，兩個止水夾可以使反應(yīng)隨時發(fā)生隨時停止。

5、操作簡便。裝置連接簡單，裝置氣密性幾乎不會出現(xiàn)問題，與實(shí)驗室制取氧氣的任何裝置相比較，簡便易操作。

6、降低實(shí)驗成本，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)驗器材缺乏的農(nóng)村學(xué)校。

7、適合學(xué)生做實(shí)驗用，提高了實(shí)驗成功率在實(shí)驗前實(shí)驗員只要取掉針頭，分發(fā)到學(xué)生手中，講清楚原理學(xué)生可提前組裝，實(shí)驗時只要按照操作步驟，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)的低對稱性及過氧鍵的存在，造成雙氧水容易發(fā)生自分解反應(yīng)。同時，高濃度雙氧水溶液對雜質(zhì)特別敏感，許多有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)都會使其催化分解。因此，如何合理使用雙氧水將是這類清潔試劑推廣的主要因素。

(一)實(shí)驗部分

1、主要試劑與儀器

實(shí)驗所用試劑有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。

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)物來間接標(biāo)定高錳酸鉀溶液。準(zhǔn)確稱量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始滴加高錳酸鉀溶液，直至溶液顏色變?yōu)榉奂t色時即為反應(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)溶度由無色變?yōu)榉奂t色時即為滴定終點(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時測定雙氧水濃度。同理測定50℃，60℃溫度下不同時間雙氧水濃度。

4、pH對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時測定雙氧水濃度。

同理測定pH=3.6、pH=4.5條件下不同時間雙氧水濃度。

5、不同金屬離子對雙氧水的催化作用

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時測定雙氧水濃度。

同理測定不同濃度Mn2+，Zn2+的雙氧水在相同條件不同時間下的濃度。

(二)結(jié)果與討論

1、溫度對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是一個與溫度相關(guān)的函數(shù)。由下圖可知，與40、50℃相比，60℃時雙氧水的分解速率稍快，說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來說，溫度對雙氧水的分解無較大影響。因此，若無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對雙氧水分解速率的影響

由下圖可知，pH=5.95時，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時雙氧水分解速率接近零，表明當(dāng)pH 3.5時，雙氧水已經(jīng)能夠保持穩(wěn)定。

3、金屬離子對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，如反應(yīng)器本身或在儲存、運(yùn)輸、生產(chǎn)過程中都可能帶入金屬離子，因此，研究幾種常見的金屬離子對雙氧水分解速率的影響具有十分重要的意義。

①銅離子對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明顯變化，說明錳離子對雙氧水的分解沒有催化作用。

③鋅離子對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明顯變化，說明鋅離子對雙氧水的分解同樣沒有催化作用。

(三)結(jié)論

通過對雙氧水在不同條件下分解速率的研究，得出3個方面的結(jié)論:

①隨著溫度的升高，雙氧水的分解速率稍有加快，但總體來說分解速率仍較慢，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銅離子對雙氧水有明顯的催化作用，能大大加快它的分解，而Mn2+、Zn2+對雙氧水無明顯的催化作用，因此雙氧水要絕對避免引入Cu2+，以維持雙氧水的穩(wěn)定性。

三、過氧化氫分解催化劑

在當(dāng)下各行業(yè)大都是利用過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)。大量使用勢必造成廢水含有過氧化氫，這就要求必須把過氧化氫殘留物清除，達(dá)到以減少廢水中過氧化氫對生態(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氧化氫。能使過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)品模擬過氧化氫酶這一過程中。

1、過氧化氫酶

過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)過氧化氫分解，防止膜脂過氧化進(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氧化氫為水和氧氣，可以達(dá)到一分子過氧化氫酶每分鐘能催化500萬分子過氧化氫。

過氧化氫酶的區(qū)分類別是，一種真核過氧化氫酶和原核過氧化氫酶。真核過氧化氫酶主要來自植物和動物組織，包括哺乳動物組織中過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)過氧化氫酶主要存在于細(xì)胞器。微生物是原核過氧化氫酶的來源體。過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)的不存在過氧化氫酶，例如過氧化醋桿菌(A.peroxydas)。

根據(jù)他們的理化特性差異，可以將過氧化氫酶劃分為典型性、非典型性和過氧化氫酶-過氧化物酶(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：

①含鐵卟啉結(jié)構(gòu)過氧化氫酶，又稱鐵卟啉酶;

②含錳離子替代鐵的卟啉結(jié)構(gòu)，又稱為錳過氧化氫酶。

用過氧化氫來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)八十年代開始的，并且生產(chǎn)紙張和其他工業(yè)產(chǎn)品的工廠普遍開始使用過氧化氫作為有毒氯氣的替代品來作為漂白和消毒產(chǎn)品。過氧化氫可以用來消除有害細(xì)菌在新鮮的蔬菜和水果，如大腸桿菌和沙門氏菌，還可用于消毒產(chǎn)品等。

在去除殘留過氧化氫生產(chǎn)流程的過程中，人們逐漸把注意力轉(zhuǎn)向酶的催化效率高，過氧化氫酶被大規(guī)模的使用在醫(yī)藥和食品、紡織等行業(yè)。過氧化氫酶酶制劑的應(yīng)用會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

金屬鉑能作為過氧化氫催化分解物質(zhì)。

有學(xué)者采用鉑催化法分解過氧化氫。結(jié)果表明，鉑催化法能在50℃以下分解破壞過氧化氫，催化速度與鉑催化表面積成正比，同時不造成钚價態(tài)的變化，要控制他的分解速度方法就是依靠溫度來控制，這種方法與加熱分解法相比具有破壞速度平穩(wěn)且钚價態(tài)不變等優(yōu)點(diǎn)。采用鉑催化分解法在常溫就能使過氧化氫分解，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氧化氫活性。

有學(xué)者通過對過氧化氫催化分解反應(yīng)動力學(xué)研究，通過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(過氧化氫)是反磁性，而生成物(氧氣)是順磁性，若無外部條件影響，涉及磁性的量子態(tài)不會自動變化，上述反應(yīng)也不會自動發(fā)生;而某種磁狀態(tài)的觸發(fā)有可能影響該類反應(yīng)。

3、金屬配合物

金屬配合物及其Schiff堿類化合物的應(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，不過是作為配合物來使用;Schiff堿也可以是一種銅的緩蝕劑被利用在腐蝕領(lǐng)域;同時，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)、不對稱催化環(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)在各個專業(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過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)驗表明，在沒有催化劑的情況下，過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，不過總體來說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)的氧漂汽蒸工藝對織物損傷較小，具有一定節(jié)能減排的優(yōu)勢。

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)出來了單晶，并考察了不同條件下催化劑對雙氧水分解的影響，實(shí)驗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)者通過實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，十二鉬磷酸對H2O2分解幾乎無活性，而其鹽類(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)合體系對過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，催化活性最高。給出了催化反應(yīng)的動力學(xué)方程，計算得到反應(yīng)的Arrhenius活化能Ea=24.4KJ·mol·L-1，并對催化反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了合理的推測。