龍冬梅,員蓉,伏彩彩,周孝偉,毛澤川,梁永鋒
(寧夏師范學院化學化工學院,寧夏固原756000)
氧氣是人體進行新陳代謝的關鍵物質,人體生命活動離不開氧。通過呼吸作用把外界的氧轉化為人體內可利用的氧,稱為血氧。血液攜帶血氧向全身輸入能源,血氧的輸送量與心臟、大腦的工作狀態(tài)密切相關,心臟泵血能力越強,血氧的含量就越高[1];心臟冠狀動脈的輸血能力越強,血氧輸送到心腦及全身的濃度就越高,人體重要器官的運行狀態(tài)就越好[2-3]。分解氯酸鉀是制取氧氣的一種常用方法,利用該方法制取氧氣需要催化劑,但在實際應用中發(fā)現用二氧化錳作為催化劑有明顯的不足。因此,重新選擇對氯酸鉀分解制氧氣催化效果好的催化劑,在實際應用中具有重要的意義。
一般情況下,氯酸鉀加熱時發(fā)生下列歧化反應:
只有在催化劑的作用下,氯酸鉀加熱才能分解為氯化鉀和氧氣,目前文獻中介紹氯酸鉀制氧氣的催化劑是二氧化錳。二氧化錳催化氯酸鉀分解制取氧氣的化學反應是:
實驗中發(fā)現,用二氧化錳作催化劑,催化氯酸鉀分解除能夠發(fā)生上述反應外,同時還有下列副反應發(fā)生:
由于有副產物氯氣生成,一是導致收集的氧氣純度不高;二是制取過程中收集到的氧氣帶有白霧[4],且有較濃的刺激性氣味;三是對環(huán)境造成污染;四是氧氣逸出的速率不好控制[5]。
另外,MnO2是化學實驗室常用的化學試劑之一,具有氧化性。雖然一般情況下,MnO2非常穩(wěn)定,但與易燃物放置一起,容易引發(fā)燃燒或爆炸;實驗過程中若MnO2與眼睛直接接觸會造成損傷,侵入機體可造成腦部損傷。
催化劑活性比較是一個復雜的問題,設計到許多方面。在中學化學教學中,采用相同條件下,制取相同體積的氧氣所用的時間來衡量,用時越短,表明反應速率越快,催化劑活性越高。
2.1.1 實驗儀器和試劑
硬質大試管(420×150)數支、500 mL 量筒、水槽、酒精燈、鐵架臺、導氣管、單孔橡皮塞、電子分析天平等,氯酸鉀(AR)及催化劑(二氧化錳及替代品)、淀粉試紙等。
2.1.2 實驗方法
(1)氧氣的制取方法。準確稱取經過重結晶的氯酸鉀1 g 和催化劑各1 g,充分混合后裝入大試管,先給試管均勻加熱,當氣體排放連續(xù)后用排水集氣法收集氣體,并開始計時,仔細觀察實驗現象。實驗結束后用淀粉碘化鉀試紙對氣體進行檢驗。
(2)催化劑的回收。實驗結束后,待試管完全冷卻后,用蒸餾水溶解試管中的剩余物質,過濾,將濾渣在坩堝中灼燒,冷卻后稱量回收的催化劑的質量。
2.1.3 實驗結果
實驗結果見表1。
表1 氯酸鉀制氧氣催化劑活性Tab.1 Oxygen catalyst activity of potassium chlorate
實驗結果表明,若從生成200 mL 氧氣所用的時間來 看 ,催 化 劑 的 活 性 依 次 為 :P2O5>CrO3>Fe2O3>Cr2O3>NaHSO4>MoO3>MnSO4>V2O5>PbO>CuO>PbO2>ZnO>MnO2>MgO>Al2(SO4)3>CaO>Al2O3。
按照2.1.2 的實驗方法,選用不同的催化劑進行試驗,實驗結果見圖1。
圖1 表明,除二氧化錳外,氧化鈣等其余16 種常見化學試劑對氯酸鉀分解制氧氣均具有催化效果。若按照開始生成氧氣(50 mL)所用的時間來看,其催化活性依 次 為 :P2O5>CrO3>Cr2O3>NaHSO4>Fe2O3>MoO3>MnSO4>V2O5>MnO2>CuO>PbO2>PbO>Al2O3>Al2(SO4)3>ZnO>MgO>CaO;但是當收集到氧氣體積大于50 mL時,Al2O3的催化效果明顯開始下降,生成氧氣需要的時間明顯增加;當收集到氧氣體積大于100 mL 時,MnO2和Al2(SO4)3的催化效果明顯開始下降;當收集到氧氣體積大于150 mL 時,NaHSO4的催化效果明顯降低;當收集到氧氣體積大于200 mL 時,PbO2的催化效果明顯降低。在實驗的條件下制取氧氣在50~350 mL 體積范圍內 ,與 MnO2比 較 ,P2O5,CrO3,Fe2O3,Cr2O3,NaHSO4,MoO3,MnSO4,V2O5,PbO,CuO,PbO2,ZnO,CaO,MgO 的催化效果明顯優(yōu)于MnO2,Al2O3催化效果與MnO2相當,Al2(SO4)3催化效果稍弱于MnO2。
圖1 催化劑種類對氯酸鉀分解反應催化活性的影響Fig.1 Effect of catalyst type on catalytic activity of potassium chlorate decomposition reaction
按照2.1.2 的實驗方法,準確稱取經過重結晶的氯酸鉀1 g,催化劑的用量依次為氯酸鉀質量的1/1(1 g),1/2(0.5 g),1/3(0.33 g),1/4(0.25 g)和 1/5(0.20 g)進行實驗,以收集250 mL 氧氣為參照,利用所用的時間,比較催化劑的催化效果,用時越少,催化劑的催化效果越好。實驗結果如圖2所示。
圖2 催化劑用量對氯酸鉀分解反應催化活性的影響Fig.2 Effect of the amount of catalyst on the catalytic activity of potassium chlorate decomposition
圖2 表明,氧化銅、三氧化鉻、五氧化二磷、氧化鐵和硫酸氫鈉5 種物質分別作為氯酸鉀分解制氧氣的催化劑時,其與氯酸鉀的質量比為1∶1 時催化效果最好;二氧化鉛、氧化鋅做氯酸鉀分解制氧氣的催化劑時,其與氯酸鉀質量比為1∶2 時對氯酸鉀分解催化效果最佳;氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鉻、氧化鉛、硫酸錳、硫酸鋁、二氧化錳7 種物質分別作為氯酸解分解制氧氣反應的催化劑時,其與氯酸鉀的質量比為1∶3 時催化效果最佳;氧化鋁、五氧化二釩、三氧化鉬三種物質分別作為氯酸鉀分解制氧氣反應的催化劑時,其與氯酸鉀質量比為1∶4時,催化效果最佳。
按照2.3 的實驗結果和2.1.2 的實驗方法,準確稱取經過重結晶的氯酸鉀1 g,選擇催化劑與氯酸鉀最佳的催化活性比例進行試驗,根據收集到相同體積的氧氣(50 mL)所用時間的間隔進行氧氣逸出速率的評價,時間間隔越均勻,氧氣逸出速率越平穩(wěn),越有利于氧氣的收集和實驗現象的觀察。實驗結果如圖3所示。
圖3 催化劑種類對氧氣逸出速率的影響Fig.3 Effect of the type of catalyst on the oxygen evolution rate
圖3 表明,硫酸鋁、硫酸氫鈉和三氧化二鉻作氯酸鉀分解制取氧氣反應的催化劑,在氧氣體積在50~250 mL之間,氧氣逸出速率均勻、穩(wěn)定,便于收集;氧氣體積大于250 mL 后,氧氣逸出的速率明顯減慢;氧化鋅、氧化鉛、二氧化鉛、氧化鎂、氧化銅、氧化鐵、二氧化錳催化氯酸鉀分解制氧氣,氧氣的體積在50~300 mL 之間,氧氣逸出速率均勻、穩(wěn)定;氧化鈣、氧化鋁、五氧化二釩、五氧化磷、硫酸錳、三氧化鉻和三氧化鉬催化氯酸鉀分解制氧氣,氧氣的體積在50~350 mL 之間,氧氣逸出速率均勻、穩(wěn)定。
(1)實驗過程中發(fā)現用三氧化鉻、二氧化鉛、五氧化二釩、三氧化鉬催化氯酸鉀分解反應有少量的氯氣產生,可能是發(fā)生了下列副反應:
(2)除二氧化錳外,氧化鈣等16 種常見化學試劑對氯酸鉀分解制氧氣的反應都有催化作用,且大部分催化效果好。首次發(fā)現氧化鈣、氧化鎂、三氧化二鉻、三氧化鉻、氧化鉛、二氧化鉛、五氧化二磷、五氧化二釩、三氧化鉬、硫酸氫鈉、硫酸錳和硫酸鋁12 種常見化學試劑對氯酸鉀分解制氧氣的反應有良好的催化效果。
(3)綜合考慮催化效果,氧氣逸出的均勻穩(wěn)定性、易于收集、沒有副反應、原料的廉價和容易得到等因素,優(yōu)先選用氧化鈣、氧化銅、氧化鐵、氧化鋅、氧化鋁和氧化鎂6 種物質代替二氧化錳作為氯酸鉀分解制氧氣的催化劑。其優(yōu)點是首先避免了副產物氯氣的產生,實驗過程中沒有白霧產生;其次是催化劑易得,費用低廉;第三是實驗過程比較安全;第四是實驗結束后催化劑(氧化鈣、氧化銅、氧化鐵、氧化鋅、氧化鋁和氧化鎂)回收方便,可反復使用。