(浙江专用)2018年高中化学专题4化学反应条件的控制课题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.doc
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1、1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
2、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。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
3、,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2(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
4、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(H 2O2),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,H 2O2分解较快。另外,H 2O2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,H 2O2迅速分解,反应方程式为2H2O2=2H2O_O 2。通常选用 MnO2作催化剂,MnO 2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、Fe 2O3等作 H2O2分解的催化剂。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
5、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 5 mL 10%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。实验过程详剖析3实验编号 现象 原因与结论1 几乎
6、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
7、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
8、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 5 mL,催化剂也均称取 0.1 g,故锥形瓶最好用容积较小的,如 100 mL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、NO 2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4B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、NO 2可被 CO还原成 N2D使用铂催化
9、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、NO 2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、NO 2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
10、 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=2H2OO 2,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 MnO2D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,MnO 2、Fe 3 对 H2O2分解起催化作用,加入MnO2、FeCl 3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
11、制在 0.1 g,6%的 H2O2溶液均取 5 mL,可选择的实验装置是( )5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,O 3的浓度减少一半所需的时间( t)如下表所示。已知:O 3的起始浓度为 0.021 6 molL1 。pH t /minT/3.0 4.0 5.0 6.020 301 231 169 5830 158 108 48 1550 31 26 15 7pH 增大能加速 O3分解,表明对 O3分解起催
12、化作用的是_。在 30 、pH4.0 条件下,O 3的分解速率为_molL 1 min1 。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)。a40 、pH3.0b10 、pH4.0c30 、pH7.0解析:(1)O 3氧化 KI,I 转化为 I2,O 3生成 O2。(2)由题意知,pH 增大,分解速率增大,OH 起催化作用。根据 v 求解。由表推断知,pH 为 7.0时,对 O3的分解速 c t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)I 2 O 2(2)OH 1.0010
13、 4 b、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取试管 2支,向 1支试管中加入 3% H2O2溶液 5 mL,另一支加入蒸馏水 5 mL作对照。将动物肝切成每边长约 0.5 cm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6香复燃来证明。(2)观察不同 pH所引起的酶的活性差异取试管 3支,各加入 H2O2溶液 5 mL。向试管 1中加入 6 molL1 盐酸数滴,使溶液呈酸性;向试管 2中加入 6 molL1 NaOH溶液数滴,使溶液呈碱性。向试管 1、2、3 中各放
14、入一块切成 0.5 cm3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将 0.5 cm3左右的动物肝切片和水一起放入试管中,加热煮沸数分钟。取试管 2支(1 和 2),向 1中放入经加热的动物肝,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
15、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:X YZ 0.1 g 0.3 g 0.5 g1.5% 223 s 67 s 56 s3.0% 308 s 109 s 98 s4.5% 395 s 149 s 116 s(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: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_。从实验效果和“绿色化
16、学”的角度考虑,双氧水的浓度相同时,加入_ g的7二氧化锰为较佳选择,理由是_。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)加快0.3 因为用 0.1 g的催化剂反应速率明显小于用 0.3 g和 0.5 g的;用 0.5 g的
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