高中化学 专题4 课题2 催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响教学案 苏教版选修6.docx
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高中化学专题4课题2催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响教学案苏教版选修6
课题2催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响
[浙江选考·加试要求]
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1．不同的催化剂对同一反应的催化效果。
2．变量控制在实验研究中的应用。
1．通过比较不同的催化剂对过氧化氢分解速率的影响的差异，从中认识到催化剂的种类、用量等的选择对实验效果的影响。
2．认识实验方法的选择及反应条件的控制在实验研究中的重要作用，加深对化学反应条件控制的重要性的认识。
3．尝试用比较法来寻找实验的最佳方案，通过实验提高处理实验数据和分析实验结果的能力。
———————实验要素先知道
1．催化剂和催化作用
（1）能改变化学反应速率而本身的化学组成和质量在反应前后保持不变，这种物质叫做催化剂。
催化剂在反应中所起的作用叫催化作用。
（2）在化工生产中，常常加入催化剂以促进化学反应的进行。
例如，硫酸工业中，由二氧化硫制三氧化硫的反应常用五氧化二钒作催化剂；氮气与氢气合成氨的反应，使用的是以铁为主体的多成分催化剂；生物体内的化学反应也与催化剂有着密切的关系，生物体内的各种酶具有催化活性，是生物催化剂。
（3）催化剂只能加快反应的速率，不能使原来不能发生的反应得以进行。
在可逆反应中，催化剂只能缩短反应达到平衡的时间，而不能使化学平衡发生移动。
（4）催化剂一般有选择性，不同的化学反应要选用不同的催化剂。
同样的反应物选用不同的催化剂，可以发生不同的反应，从而得到不同的产物。
2．催化剂与反应活化能
（1）催化剂虽然在反应前后的质量和化学性质没有发生变化，但有些催化剂却参与了化学变化过程，在参与反应的过程中其化学性质和质量均发生改变，即反应过程中必定既包括有催化剂参与的反应，又包括使催化剂再生成的反应。
（2）分子或离子间的碰撞是发生化学反应的先决条件，但不是每次碰撞都会引发反应。
能够引起反应的分子（或离子）间的相互碰撞叫做有效碰撞，能够发生有效碰撞的分子叫做活化分子。
活化分子具有较高的能量，因此活化分子所占分数的大小决定了反应速率的快慢。
活化分子的平均能量与所有分子的平均能量的差称为活化能。
（3）催化剂有一定的活化温度，在这个温度范围内使用，催化剂的活性最高。
（4）使用催化剂能增大化学反应速率的机理主要是形成中间产物，或在催化剂表面的活性中心发生反应，从而改变反应的途径，使反应的活化能降低。
3．过氧化氢分解的影响因素
过氧化氢（H2O2），俗称双氧水，不稳定，易分解。
溶液的酸碱性对H2O2的稳定性有较大的影响，如在碱性溶液中，H2O2分解较快。
另外，H2O2见光、遇热、遇到大多数金属氧化物分解也会加速。
在催化剂存在下，H2O2迅速分解，反应方程式为2H2O2===2H2O_＋O2↑。
通常选用MnO2作催化剂，MnO2的用量以及颗粒直径大小均会影响H2O2分解的速率。
除MnO2外，还可用CuO、Fe2O3等作H2O2分解的催化剂。
———————实验过程详剖析
[器材与原理]
相关器材
托盘天平、药匙、锥形瓶、双孔橡胶塞、导管、橡胶管、螺旋夹、水槽、量筒、计时器、分液漏斗。
相关原理
（1）确定判断依据——单位时间内氧气产生的量
（2）设计反应实验装置——测定单位时间产生氧气的体积（量气装置）
（如果实验条件允许有电子天平的话，可以测定单位时间产生氧气的质量，可能会更简单）
[实验与拓展]
实验流程
1．取四支试管，分别加入5mL10%的过氧化氢溶液。
2．分别进行如下实验
（1）向第一支试管中伸入带火星的檀香，观察现象。
（2）给第二支试管加热后伸入带火星的檀香，观察现象。
（3）向第三支试管中滴加几滴饱和硫酸铜溶液，振荡一会儿后，伸入带火星的檀香，观察现象。
（4）向第四支试管中将二氧化锰从饮料管中倒入，伸入带火星的檀香，观察现象。
实验编号
现象
原因与结论
1
几乎没有气泡产生，檀香不复燃
常温几乎不分解
2
有气泡产生，檀香不复燃
加热后分解速率加快，但氧气量不大
3
有气泡产生，檀香不复燃
硫酸铜溶液能加快反应速率，但氧气量不大
4
有大量气泡产生，檀香复燃
二氧化锰能加快反应速率且氧气量大
实验改进
（1）带火星的木条易熄灭，用檀香代替木条有利于课堂演示实验的持续操作，减少实验操作所需时间。
（2）过氧化氢溶液常温分解无法看到明显现象，不足以说明它能分解，时间也不易掌握；给过氧化氢溶液加热实验的补充既说明过氧化氢能分解，又说明条件的改变对反应速率的影响。
（3）直接用药匙把二氧化锰加入试管，试管内壁易粘上二氧化锰粉末，影响实验现象的观察并浪费药品；采用先用药匙把二氧化锰放在软饮料吸管的一头，另一头插入试管中再竖直软饮料吸管把二氧化锰加入试管的操作方法。
这一改进有利于实验现象的观察并得到较好的实验效果。
（4）用10%的过氧化氢溶液代替5%的过氧化氢溶液使实验现象更明显。
（5）实验2与实验3、4的对比能说明化学反应速率与是否加入催化剂有关，从而引出催化剂的概念。
（6）实验3与实验4的对比既对教材中所说的“硫酸铜溶液在过氧化氢的分解中也可作催化剂”具有说服力，又能使学生了解化学反应速率的快慢与催化剂的种类有关（即催化剂的种类不同催化效果不同）。
[注意事项]
（1）为了便于比较，实验时应在同一地点、使用同一装置完成。
（2）实验装置中，分液漏斗可改用安全漏斗，以防在滴加双氧水时，由于反应较快，导致瓶内压强迅速增大而致使液体不能顺利滴下。
（3）由于实验中使用H2O2仅为5mL，催化剂也均称取0.1g，故锥形瓶最好用容积较小的，如100mL锥形瓶，以免引起误差过大，也便于催化剂和H2O2充分接触。
对点集训
1．德国科学家格哈德·埃特尔对有关一氧化碳在金属铂表面的氧化过程的研究催生了汽车尾气净化装置。
净化装置中的催化转化器可将CO、NO、NO2等转化为无害的物质。
下列有关说法不正确的是（ ）
A．催化转化器中的铂催化剂可加快CO的氧化
B．铂表面做成蜂窝状更有利于提高催化效果
C．在铂催化下，NO、NO2可被CO还原成N2
D．使用铂催化剂，可以提高碳氢化合物被氧化的转化率
解析：
选D 在铂催化剂的作用下，NO、NO2将CO氧化为CO2，A项正确；将铂表面做成蜂窝状，增大了反应物的接触面积，有利于提高催化效果，B项正确；NO、NO2变成N2，氮元素的化合价降低，被还原，C项正确；催化剂只能改变化学反应速率而不能改变化学反应限度（即不能使化学平衡发生移动），D项错误。
2．下列关于催化剂的说法，正确的是（ ）
A．催化剂能使不起反应的物质发生反应
B．催化剂能改变化学反应速率
C．任何化学反应，都需要催化剂
D．电解水时，往水中加少量NaOH，可使电解速率明显加快，所以NaOH是这个反应的催化剂
解析：
选B 在电解水时，加少量NaOH，可增大水中离子浓度，增强水的导电性，NaOH并没有改变反应机理，故不是催化剂。
另外，有些反应是不需要催化剂的，如中和反应等。
3．对于反应2H2O2===2H2O＋O2↑，下列措施不能增大其分解速率的是（ ）
A．向反应体系中加水
B．升高H2O2溶液的温度
C．向H2O2溶液中加入少量MnO2
D．向H2O2溶液中加入一定浓度FeCl3溶液
解析：
选A 升高温度增大分解速率，MnO2、Fe3＋对H2O2分解起催化作用，加入MnO2、FeCl3可加大分解速率，加水稀释H2O2浓度减小，分解速率减小。
4．比较MnO2和CuO对H2O2分解反应的催化能力大小的实验中，若催化剂的质量均控制在0.1g,6%的H2O2溶液均取5mL，可选择的实验装置是（ ）
解析：
选D A、B中长颈漏斗插入过短，容易造成气体逸出；C中的量筒体积太小。
5．臭氧是一种强氧化剂，常用于消毒、灭菌等。
（1）O3与KI溶液反应生成的两种单质是____________和____________（填分子式）。
（2）O3在水中易分解，一定条件下，O3的浓度减少一半所需的时间（t）如下表所示。
已知：
O3的起始浓度为0.0216mol·L－1。
3.0
4.0
5.0
6.0
20
301
231
169
58
30
158
108
48
15
50
31
26
15
7
①pH增大能加速O3分解，表明对O3分解起催化作用的是________。
②在30℃、pH＝4.0条件下，O3的分解速率为________mol·L－1·min－1。
③据表中的递变规律，推测O3在下列条件下分解速率依次增大的顺序为________（填字母代号）。
a．40℃、pH＝3.0
b．10℃、pH＝4.0
c．30℃、pH＝7.0
解析：
（1）O3氧化KI，I－转化为I2，O3生成O2。
（2）①由题意知，pH增大，分解速率增大，OH－起催化作用。
②根据v＝
求解。
③由表推断知，pH为7.0时，对O3的分解速率影响最大，当pH为3.0、4.0时，温度影响较大，综上可知，分解速率最快的为c，其次为a，最慢的是b。
答案：
（1）I2 O2
（2）①OH－ ②1.00×10－4 ③b、a、c
拓展实验
过氧化氢酶催化作用的探究
1．实验操作
（1）观察过氧化氢酶的催化作用
①取试管2支，向1支试管中加入3%H2O2溶液5mL，另一支加入蒸馏水5mL作对照。
②将动物肝切成每边长约0.5cm的方块，用镊子夹取，放进两支试管中，观察现象。
试管1内有大量气体产生，由于产生的气体是氧气，故可将点燃的檀香插入管内，通过檀香复燃来证明。
（2）观察不同pH所引起的酶的活性差异
①取试管3支，各加入H2O2溶液5mL。
②向试管1中加入6mol·L－1盐酸数滴，使溶液呈酸性；向试管2中加入6mol·L－1NaOH溶液数滴，使溶液呈碱性。
③向试管1、2、3中各放入一块切成0.5cm3左右的动物肝，观察现象。
这时可以看到：
在试管3（中性溶液）内有大量气体产生，但在试管1（酸性溶液）和2（碱性溶液）内没有气体或很少有气体产生。
由此可知，酶的活性随溶液pH的不同而具有很大差异，过氧化氢酶作用的最佳pH为7。
（3）观察加热条件下酶活性的消失
①将0.5cm3左右的动物肝切片和水一起放入试管中，加热煮沸数分钟。
②取试管2支（1和2），向1中放入经①加热的动物肝，2中放入未经加热处理的动物肝，分别加入过氧化氢溶液，观察现象。
可以看到试管1内加入H2O2溶液（3%）后，没有气体产生。
由此可知，加热可以使酶的活性消失。
2．相关问题
某实验小组在进行双氧水分解的实验时发现：
大家取不同浓度的双氧水及不同质量的二氧化锰进行的实验，产生气体的速率都不相同，那么过氧化氢分解的最佳催化条件是什么呢？
他们决定进行探究。
（1）用下列简图，画出实验装置（含试剂）示意图。
（2）小组经过实验，取得如下数据：
0.1g
0.3g
0.5g
1.5%
223s
67s
56s
3.0%
308s
109s
98s
4.5%
395s
149s
116s
（说明：
表中X是二氧化锰的质量；Y是指反应停止时的时间；Z是双氧水的质量分数）分析表中数据回答下列问题：
①相同浓度的双氧水的分解速率随着二氧化锰用量的增加而________。
②从实验效果和“绿色化学”的角度考虑，双氧水的浓度相同时，加入________g的二氧化锰为较佳选择，理由是
__________________________________________________________________。
③该小组的小茂同学分析上述数据后得出“当用相同质量的二氧化锰时，双氧水的浓度越小，所需要的时间就越小，亦即其反应速率越快”的结论，你认为是否正确？
________，理由是____________________________________________________________________。
解析：
定量实验的数据分析是解题关键，而数据分析时要固定一个量，然后分析该固定量下其他量的变化。
如该题中固定双氧水的浓度为1.5%时，变化的是二氧化锰的质量，从给出的三组数据可以发现相同双氧水浓度下过氧化氢的分解速率与二氧化锰质量之间的关系。
答案：
（1）
（2）①加快
②0.3 因为用0.1g的催化剂反应速率明显小于用0.3g和0.5g的；用0.5g的催化剂和用0.3g的催化剂反应速率相差不多，但用0.3g的催化剂却节约药品，所以使用0.3g的二氧化锰为较佳选择
③不正确 因为从表中数据可知，相同体积3%的双氧水中的溶质含量是1.5%的两倍，但反应的时间却比其反应时间的2倍小得多，由反应速率计算公式（v＝Δc/Δt）可得出，此实验条件下双氧水的浓度越大，分解速率越快
———————课后检测与提能
1．关于催化剂的叙述，正确的是（ ）
A．催化剂在化学反应前后性质不变
B．催化剂在反应前后质量不变，故催化剂不参加化学反应
C．使用催化剂可以改变反应达到平衡的时间
D．催化剂可以提高反应物的转化率
解析：
选C 催化剂是能改变化学反应速率而本身的质量和化学性质在反应前后均不变的物质，但其物理性质，如固体颗粒大小可能改变，A项错误，C项正确；催化剂参与化学反应，并且能同时、同程度地改变正反应速率和逆反应速率，故催化剂不能使化学平衡发生移动，不能改变反应物的转化率。
2．过氧化氢的沸点比水高，但受热容易分解。
某试剂厂先制得7%～8%的过氧化氢溶液，再浓缩成30%的溶液时，可采用的适宜方法是（ ）
A．常压蒸馏 B．减压蒸馏
C．加生石灰常压蒸馏D．加压蒸馏
解析：
选B 液态物质的沸点与压强有关，减小压强，能降低其沸点，这样就能在温度不是很高的情况下使水蒸发而H2O2又不会分解。
3．F2、Cl2、Br2、I2分别与H2反应，在相同条件下，活化分子的物质的量分数最大的是（ ）
A．H2＋Cl2===2HClB．H2＋F2===2HF
C．H2＋I2===2HID．H2＋Br2===2HBr
解析：
选B 氟、氯、溴、碘的非金属性强弱的标志之一是其单质与H2化合的难易，其本质是与氢气反应速率的快慢：
氟、氯、溴、碘与H2化合的反应速率越来越慢，活化分子百分数越来越小。
4．使用催化剂能加快反应速率的主要原因是（ ）
A．活化分子能量明显增加B．降低活化分子的能量
C．增加活化分子百分数D．增加反应活化能
解析：
选C 使用催化剂，能降低反应的活化能，使部分能量较低的分子转化为活化分子，增加了单位体积内活化分子百分数，使反应速率加快。
5．合成氨时采用500℃左右的温度进行，主要是因为在该温度时（ ）
A．合成氨的化学反应速率最大
B．N2的转化率最高
C．催化剂的活性最大
D．NH3在平衡混合气体中的体积分数最大
解析：
选C 当压强一定、温度升高时，虽然能增大合成氨的反应速率，但由于合成氨反应是放热反应，升高温度会降低平衡混合物中NH3的含量。
因此，从反应的理想条件来看，氨的合成反应在较低温度下进行有利，但是温度过低，反应速率很小，需要很长的时间才能达到平衡状态，这在工业生产上是很不经济的。
铁触媒在500℃左右时的活性最大，这是合成氨反应一般选择在500℃左右进行的重要原因之一。
6．汽车尾气在光照下分解时，即开始光化学烟雾的循环，它的形成过程可用下列化学方程式表示：
NO2===NO＋O,2NO＋O2===2NO2，O2＋O===O3。
下列有关叙述不正确的是（ ）
A．此过程中，NO2是催化剂
B．在此过程中，NO是中间产物
C．此过程的总反应方程式为2O3===3O2
D．光化学烟雾能引起人的外呼吸功能严重障碍
解析：
选C NO2在反应前后质量和化学性质均没发生变化，只是加快了O2变成O3的反应速率，因此NO2是O2变成O3的催化剂。
将三个方程式相加得到的总反应方程式为3O2===2O3。
7．某中学化学小组查阅资料发现金属氧化物A也能催化氯酸钾的分解，且A和二氧化锰的最佳催化温度均在500℃左右。
于是对A和二氧化锰的催化性能进行了定量对照实验。
实验时均以收满500mL氧气为准（其他可能影响实验的因素已忽略）。
用MnO2作催化剂
实验序号
KClO3的质量/g
MnO2的质量/g
反应温度/℃
待测
数据
1
8.00
2.00
500
2
8.00
2.00
500
用A作催化剂
实验序号
KClO3的质量/g
A的质量/g
反应温度/℃
待测
数据
1
8.00
2.00
500
2
8.00
2.00
500
请回答：
上述实验中待测的数据应是________。
完成此研究后，他们准备发表一篇研究报告，请你替他们拟一个报告的题目________。
解析：
金属氧化物A和二氧化锰对KClO3都有催化作用，都能改变氯酸钾的分解反应速率，但催化能力不同，因而收满500mL氧气所需的时间不同，故待测数据为收满500mL氧气时所需用的时间。
化学小组所做的实验是研究金属氧化物A和二氧化锰对氯酸钾的催化能力，所以研究报告的题目是“催化剂效果对照研究”。
答案：
收集500mL氧气时所需用的时间 催化剂效果对照研究
8．在一次学生实验中，学生用铝片分别和稀盐酸、稀硫酸反应，发现：
铝片与稀盐酸反应现象非常明显，而和稀硫酸几乎不反应。
这和教材中“铝能跟稀盐酸或稀硫酸反应生成氢气”的说法不一致。
为排除因试剂变质等因素造成的影响，该学生在教师的指导下重新进行下列实验，验证是否存在上述现象：
实验用品：
仪器（略，凡是实验需要的都有）；
实验试剂：
3.0mol·L－1盐酸、1.5mol·L－1硫酸、3.0mol·L－1硫酸；相同大小的铝片（纯度＞99.5%）
实验过程：
向三支相同的试管中分别加入相同的铝片各一片，再向试管中分别加入等体积的3.0mol·L－1盐酸、1.5mol·L－1硫酸、3.0mol·L－1硫酸。
观察反应进行到1、2、5、15、20分钟时的铝与酸反应的情况。
结果如下：
反应进程（分钟）
1
2
5
15
20
3mol·L－1盐酸
少量气泡
较多气泡
大量气泡
反应剧烈
铝片耗尽
1.5mol·L－1硫酸
均无明显现象（无气泡产生）
3mol·L－1硫酸
均无明显现象（无气泡产生）
通过上述实验可知，无论是用1.5mol·L－1硫酸还是3.0mol·L－1硫酸，均无明显的现象。
而3.0mol·L－1盐酸与铝片反应的现象却十分明显。
问题1：
为了探究“铝与稀盐酸和稀硫酸反应差异的原因”，你能对问题的答案将作出哪些假设或猜想（列出两种即可）?
假设一：
______________________________________________________________
假设二：
_________________________________________________________________
问题2：
为了验证上述假设，你设计的实验方案是：
____________________________。
解析：
实验中涉及的离子反应为2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑。
稀盐酸、稀硫酸都是非氧化性的酸，在水溶液中都能电离出H＋，而且在1.5mol·L－1的硫酸和3.0mol·L－1的盐酸中，氢离子的浓度都相等，均为3.0mol·L－1；同时，由于铝片的大小和纯度都相同，根据所发生的离子反应和反应速率理论，它们的反应速率应该相同（因其他外界条件也相同）。
但实验结果却和理论推测存在一定的差异，既然氢离子浓度和铝片均相同，造成的差异应该与反应（即2Al＋6H＋===2Al3＋＋3H2↑）中有无Cl－和SO
有关。
因此，在开展实验研究时，应该采用向反应体系中加入等物质的量的NaCl、Na2SO4固体的方法来探究Cl－和SO
对反应造成的影响，采用对比实验来进行研究。
答案：
问题1：
（说明：
可能存在多种假设，但只要假设合理均可）
Cl－能够促进金属铝与H＋反应
SO
对H＋与金属铝的反应起阻碍作用
问题2：
（1）取a、b、c、d四支相同的试管，分别向试管中加入相同大小的铝片（纯度>99.5%）各一片；
（2）在a、b、c试管中依次添加0.5gNaCl（约0.01mol）、1.4gNa2SO4（约0.01mol）、1.4gNa2SO4（约0.01mol）固体；（3）再向a、b试管中加入1.5mol·L－1硫酸5mL，c、d试管中加入3.0mol·L－1盐酸5mL，并观察五支试管反应进行到5分钟时的现象，把现象填写在下表中：
试管
所加的酸（5mL）
添加的试剂
5分钟后实验现象
a
1.5mol·L－1硫酸
0.5gNaCl固体（约0.01mol）
b
1.5mol·L－1硫酸
1.4gNa2SO4固体（约0.01mol）
c
3.0mol·L－1盐酸
1.4gNa2SO4固体（约0.01mol）
d
3.0mol·L－1盐酸
不添加（对比）
9．甲、乙两个实验小组利用酸性KMnO4溶液与H2C2O4溶液反应研究影响反应速率的因素。
（1）该反应的离子方程式为（提示：
H2C2O4的一级电离常数为5.4×10－2）______________。
设计实验方案如下（实验中所用KMnO4溶液均已加入H2SO4）：
（2）甲组：
通过测定单位时间内生成CO2气体体积的大小来比较化学反应速率的大小。
实验装置如图，实验时分液漏斗中A溶液一次性放下，A、B的成分见下表：
序号
A溶液
B溶液
①
2mL0.1mol·L－1H2C2O4溶液
4mL0.01mol·L－1KMnO4溶液
②
2mL0.2mol·L－1H2C2O4溶液
4mL0.01mol·L－1KMnO4溶液
③
2mL0.2mol·L－1H2C2O4溶液
4mL0.01mol·L－1KMnO4溶液和少量MnSO4
该实验探究的是________对化学反应速率的影响。
在反应停止之前，相同时间内针筒中所得CO2的体积由大到小的顺序是________（用实验序号填空）。
（3）乙组：
通过测定KMnO4溶液褪色所需时间的多少来比较化学反应速率的大小。
取两支试管各加入2mL0.1mol·L－1H2C2O4溶液，另取两支试管各加入4mL0.1mol·L－1KMnO4溶液。
将四支试管分成两组（各有一支盛有H2C2O4溶液和KMnO4溶液的试管），一组放入冷水中，另一组放入热水中，经过一段时间后，分别混合并振荡，记录溶液褪色所需时间。
该实验目的是研究________对化学反应速率的影响，但该组同学始终没有看到溶液褪色，其原因是__________________________________________________________。
解析：
（1）根据题中提示可知H2C2O4是弱酸，在离子方程式中应保留化学式。
（2）对比①②实验可探究浓度对化学反应速率的影响，对比②③实验可探究催化剂对化学反应速率的影响。
（3）很显然乙组实验是探究温度对化学反应速
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