3D有趣实验:瓶中精灵(Genie in the Bottl

作者: 来源:A蕙生活 时间:2020-06-05 12:14:16 浏览(443)

请按此连结,参阅「3D有趣实验:瓶中精灵〔I〕」

原理和概念

催化剂(Catalyst)又称为触媒,在一些化学反应中,某物质既不是反应物也不是生成物,但可以改变该化学反应的速率,加速这项化学反应,称该物质为催化剂。催化剂在反应完成后,本身的质量既不增加,也不减少。生物体中的催化剂,叫做酵素(Enzyme)。一般而言,催化剂加速反应过程具有两个途径,一个是增加反应物的活性中心,另一种是改变反应途径。催化剂的定义:催化剂可参与反应但不出现在反应式中,反应前或反应后催化剂的性质和质量都不改变,不同的反应所使用的催化剂不相同,不一定每一个反应都有催化剂可以使用。催化剂的作用:催化剂就是藉着改变反应的路径,造成不同的活性複合体(activity complex),可降低活化能(activity energy),达到催化的目的。催化剂加入反应中,同时使正反应和逆反应的活化能也降低,正反应和逆反应的速率同时加快,故不会改变化学平衡,如图六所示。3D有趣实验:瓶中精灵(Genie in the Bottl

图一 催化剂使正反应和逆反应的活化能降低

(Reaction without catalyst,没有催化剂的反应,黑色字体和图形)
(Reaction with catalyst,有催化剂的反应,红色字体和图形)
(Reaction path,反应路径;Energy,能量:Ea,活化能;△H,焓变化)

过氧化氢(H2O2,俗称双氧水)的催化分解反应,产生氧气、水蒸气、及大量的热。在常态下,过氧化氢分解速率不快,但若加入二氧化锰(MnO2)或碘化钾(KI)等催化剂后立即发生剧烈作用,产生大量氧气与烟雾般的水蒸气。此催化反应如反应式[1]所示:

2H2O2(aq) → O2(g) + 2H2O(g) + heat    [1]

除了上述兩种化学药品,一般酵母粉或红蘿蔔亦含有酵素,可催化过氧化氢的分解,但反应较不激烈且速率慢。

本实验加入碳酸钠(Na2CO3),是为了去除反应所生成的碘(I2),碘蒸汽具有味道,闻多对身体有害。由于碘在硷性环境(碳酸钠溶液含OH–)中会产生自身氧化还原反应,可以避免碘蒸气的产生。其反应如反应式[2]所示:

3I2(s) + 6OH–(aq) →5I–(aq) + IO3–(aq) + 3H2O(g)    [2]

教学提示

1. 本实验使用双氧水,未稀释的高浓度双氧水具腐蚀性,配製及使用时应确实配戴手套、安全眼镜及实验衣。

2. 本实验所使用的软木塞,在实验前应先打洞。避免「卫生纸捲」不慎掉入瓶中而发生化学反应,导致气体冒出而酒瓶发生爆炸的风险。

3. 拔开软木塞后可以摇晃酒瓶数下,使反应顺利发生。

4. 本实验使用的固体药品以研钵磨至细粉末状,实验效果较佳

5. 本实验亦可当作教师演示的化学示範实验。

安全

1. 进行本实验「瓶中精灵」必须在老师的监督下进行,也必须在戴上实验手套、穿实验衣和戴安全眼镜的防护下进行。

2. 由于反应过程为放热反应而呈现高温状态,反应后的酒瓶应放置一段时间后等待冷却后才能取下。

3. 本实验使用的双洋水为强氧化剂,使用时应小心,使用后药瓶应该立即塞紧。

4. 对本实验实行适当的风险评估是老师的责任。

废弃物处理

1. 反应后剩余的二氧化锰及碳酸钠,应该回收到「重金属」废弃桶中,不可用水沖洗而污染环境。

2. 实验结束后,酒瓶和软木塞应清洗乾净,并且回收再利用。

问题与参考答案

1. 拿掉软木塞后产生的白色烟雾是什幺?为什幺会发生白色烟雾?
答:白色烟雾是水蒸气。在包有催化剂的「卫生纸捲」掉到双氧水(过氧化氢)中,双氧水会发生剧烈反应,而分解产生水和大量的热,水吸收了大量的热能便产生大量的水蒸气。

2. 请问本实验涉及哪些化学反应?请写下这些反应式并平衡之。
答:涉及两个化学反应,其平衡反应式如下所示:

2H2O2(aq) → O2(g) + 2H2O(g) + heat
3I2(s) + 6OH–(aq) →5I–(aq) + IO3–(aq) + 3H2O(g)

3. 承上题,这些反应是属于氧化还原反应吗?若是,反应式中反应物和产物的各原子的氧化数为何?针对各反应,哪一个反应物被氧化?哪一个反应物被还原?
答:两个反应都是属于氧化还原反应。

——————–

就2H2O2(aq) → O2(g) + 2H2O(g)而言,

H2O2:H的氧化数为+1,O的氧化数为-1。

H2O:H的氧化数为+1,O的氧化数为-2。

O2:O的氧化数为0。

由于反应物H2O2的O氧化数为-1,下降到产物H2O的O氧化数为-2,因此H2O2被还原。由于反应物H2O2的O氧化数为-1,上升到产物O2的O氧化数为0,因此H2O2被氧化。由上述可知,H2O2在此反应中属于自身氧化还原。

——————–

就3I2(s) + 6OH–(aq) →5I–(aq) + IO3–(aq) + 3H2O(g)而言,

I2:I的氧化数为0,I–的氧化数为-1。

I2:I的氧化数为0,IO3–的氧化数为+5。

OH–:O的氧化数为-2,H的氧化数为+1。

H2O:O的氧化数为-2,H的氧化数为+1。

由于反应物I2的I氧化数为0,下降到产物I–的I氧化数为-1,因此I2被还原。由于反应物I2的I氧化数为0,上升到产物IO3–的I氧化数为+5,因此I2被氧化。由上述可知,I2在此反应中属于自身氧化还原。

4. 请问本实验所使用之二氧化锰和碘化钾有何功能?

答:二氧化锰和碘化钾在实验中都当作催化剂。过氧化氢在常态下分解速率不快,加入二氧化锰(MnO2)或碘化钾(KI)等催化剂后,酒瓶内立即发生剧烈作用,产生大量氧气和烟雾般的水蒸气。

5. 请问催化剂有何功用?

答:催化剂的功用是改变反应的路径,造成不同的活性複合体(activity complex),可降低活化能,达到加速化学反应的目的。一般具有两个途径,一个是增加反应物的活性中心,另一种是改变反应途径。

参考资料:
1. Genie in a Bottle: The Exciting Nature of Chemistry, Flinn Scientific—Teaching ChemistryTM eLearning Video Series.
2. Catalysis, Wikipedia, the free encyclopedia.
3. Hydrogen peroxide , Wikipedia, the free encyclopedia.
4. Potassium iodide, Wikipedia, the free encyclopedia.
5. Manganese(IV) dioxide, Wikipedia, the free encyclopedia.
6. Sodium carbonate , Wikipedia, the free encyclopedia.
7. 阿拉丁神灯与大象的牙膏,2007白沙化学惊奇秀,中学化学示範实验。


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