（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

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、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N2D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=2H2OO2，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，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0.1 g,6%的H2O2溶液均取5 mL，可选择的实验装置是()解析：选DA、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0.021 6 molL1。3.04.05.06.02030123116958301581084815503126157pH增大能加速O3分解，表明对O3分解起催化作用的是_。在30 、pH4.0条件下，O3的分解速率为_molL1min1。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)O3氧化KI，I转化为I2，O3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)I2O2(2)OH1.00104b、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：0.1 g0.3 g0.5 g1.5%223 s67 s56 s3.0%308 s109 s98 s4.5%395 s149 s116 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_。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的催化剂和用0.3 g的催化剂反应速率相差不多，但用0.3 g的催化剂却节约药品，所以使用0.3 g的二氧化锰为较佳选择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(vc/t)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。3F2、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()AH2Cl2=2HCl BH2F2=2HFCH2I2=2HI DH2Br2=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BN2的转化率最高C催化剂的活性最大DNH3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=NOO,2NOO2=2NO2，O2O=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=3O2D光化学烟雾能引起人的外呼吸功能严重障碍解析：选CNO2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500 mL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/gMnO2的质量/g反应温度/待测数据18.002.0050028.002.00500用A作催化剂实验序号KClO3的质量/gA的质量/g反应温度/待测数据18.002.0050028.002.00500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500 mL氧气所需的时间不同，故待测数据为收满500 mL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500 mL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：3.0 molL1盐酸、1.5 molL1硫酸、3.0 molL1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3.0 molL1盐酸、1.5 molL1硫酸、3.0 molL1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)12515203 molL1盐酸少量气泡较多气泡大量气泡反应剧烈铝片耗尽1.5 molL1硫酸均无明显现象(无气泡产生)3 molL1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1.5 molL1硫酸还是3.0 molL1硫酸，均无明显的现象。而3.0 molL1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2Al6H=2Al33H2。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1.5 molL1的硫酸和3.0 molL1的盐酸中，氢离子的浓度都相等，均为3.0 molL1；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2Al6H=2Al33H2)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0.5 g NaCl(约0.01 mol)、1.4 g Na2SO4(约0.01 mol)、1.4 g Na2SO4(约0.01 mol)固体；(3)再向a、b试管中加入1.5 molL1硫酸5 mL，c、d试管中加入3.0 molL1盐酸5 mL，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(5 mL)添加的试剂5分钟后实验现象a1.5 molL1硫酸0.5 g NaCl固体(约0.01 mol)b1.5 molL1硫酸1.4 g Na2SO4固体(约0.01 mol)c3.0 molL1盐酸1.4 g Na2SO4固体(约0.01 mol)d3.0 molL1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5.4102)_。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2 mL 0.1 molL1H2C2O4溶液4 mL 0.01 molL1KMnO4溶液2 mL 0.2 molL1H2C2O4溶液4 mL 0.01 molL1KMnO4溶液2 mL 0.2 molL1H2C2O4溶液4 mL 0.01 molL1 KMnO4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2 mL 0.1 molL1 H2C2O4溶液，另取两支试管各加入4 mL 0.1 molL1 KMnO4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)对比实验可探究浓度对化学反应速率的影响，对比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率的影响，但在反应物的使用量上控制不当，题中KMnO4溶液过量，因此不能看到明显的褪色现象。答案：(1)2MnO5H2C2O46H=2Mn210CO28H2O(2)浓度和催化剂(3)温度KMnO4溶液过量10Fenton法常用于处理含难降解有机物的工业废水，通常是在调节好pH和Fe2浓度的废水中加入H2O2，所产生的羟基自由基能氧化降解污染物。现运用该方法降解有机污染物pCP，探究有关因素对该降解反应速率的影响。实验设计控制pCP的初始浓度相同，恒定实验温度在298 K或313 K(其余实验条件见下表)，设计如下对比实验。(1)请完成以下实验设计表(表中不要留空格)。实验编号实验目的T/KpHc/103molL1H2O2Fe2为以下实验作参照29836.00.30探究温度对降解反应速率的影响298106.00.30数据处理实验测得pCP的浓度随时间变化的关系如上图。(2)请根据上图实验曲线，计算降解反应50150 s内的反应速率：v(pCP)_ molL1s1解释与结论(3)实验、表明温度升高，降解反应速率增大。但温度过高时反而导致降解反应速率减小，请从Fenton法所用试剂H2O2的角度分析原因：_。(4)实验得出的结论是：pH等于10时，_。思考与交流(5)实验时需在不同时间从反应器中取样，并使所取样品中的反应立即停止下来。根据上图中的信息，给出一种迅速停止反应的方法：_。解析：(1)依题意可知的实验温度为313 K，实验对比是建立在其他条件相同前提下，故pH应与的相同。若改变pH，其他条件不变可探究溶液pH对反应速率的影响。(2)实验曲线中，50150 s时。c(pCP)1.2103 molL10.4103 molL10.8103 molL1，所以v(pCP)8.0106 molL1s1。(3)在降解反应中，H2O2产生的自由基起氧化作用，温度过高，H2O2因热稳定性差而分解，导致降解反应速率下降。(4)由曲线可知，pH10时，c(pCP)基本不变，反应趋于停止。(5)由(4)得到启示：在pH10溶液中，反应速率趋于零，可将所取样加入NaOH溶液中(使pH10)；化学反应速率随温度降低而降低，故亦可用迅速大幅降温法。答案：(1)实验编号实验目的T/KpHc/103molL1H2O2Fe231336.00.30探究溶液的pH对降解反应速率的影响(2)8.0106(3)过氧化氢在温度过高时迅速分解(4)反应速率趋向于零(或该降解反应趋于停止)(5)将所取样品迅速加入到一定量的NaOH溶液中，使pH约为10(或将所取样品骤冷等其他合理答案均可)