二氧化锰催化角色探讨

二氧化錳催化角色探討

一、研究動機：

前言：

二氧化錳既是催化劑，能否回收再利用？在強調化學藥品回收，注重校園環保的現在，「回收二氧化錳」省錢、環保又能讓同學更加了解催化劑的概念。事實上，二氧化錳是否適合做為催化劑的例子？ 動機：

在做雙氧水分解氧氣的實驗，當反應不再冒氣泡，但又需再收集氧氣，我很自然地再加入一些雙氧水到原先的反應瓶裡，反應瓶雖然立刻又冒出氣泡，但我發現速率比原先慢了許多。根據國中課程所學有關催化劑的作用原理，二氧化錳是不消耗的，只要反應的雙氧水濃度相同，反應速率應該相同。對於這種不正常的變慢現象，引發我對催化劑在化學反應中的行為及二氧化錳在反應中是否有變化的研究興趣。

二、研究目的：

1. 1. 實驗觀察催化過雙氧水的二氧化錳是否變質？

它仍然具有相同的催化能力嗎？

2. 2. 探討反應中二氧化錳變質的原因及影響其催化

能力的因素。

3. 3. 研究恢復二氧化錳催化能力的方法。

三、實驗器材及實驗藥品：

器材：排水集氣法集氣設備、溫度計、碼錶、100cc 量筒、

500cc

集氣量筒、酒精燈、燒杯、三角錐形瓶、三腳架、石棉心 網、打火機、滴管、稱量紙、玻璃棒、照相機、紙筆。 藥品：實驗級雙氧水（35%）、二氧化錳、食鹽、亞硫酸鈉、

廣用

詴紙、硫酸。

四、研究過程及實驗結果：

(一) 催化過雙氧水的二氧化錳，其催化能力是否衰減的研究 —引發動機的實驗

【實驗組】

取75㏄雙氧水溶液(實驗級雙氧水和水以1：1配成) ，加入0.2克二氧化錳，用排水集氣法收集氧氣，並記錄所花的時間。 【對照組】

取上面實驗過的雙氧水，靜置到不冒泡(理論上可視為全部變成水) ，再加入75㏄雙氧水(不稀釋) ，用排水集氣法收集氧氣，並記錄所花的時間。 【實驗結果】

※ ※ 實驗組(0.2克二氧化錳+75㏄1：1雙氧水) ※ ※ 對照組(0.2克二氧化錳+150㏄1：1雙氧水)

原始紀錄表：

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:時間(秒)

將上面實驗數據換算成速率（CC/秒）

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:速率(CC /秒)

[***********]000

100㏄200㏄300㏄400㏄500㏄

催化過與新鮮二氧化錳催化力的比較圖

圖一：催化過雙氧水的二氧化錳，反應所需的時間大增其催化能力大減

能力大減

圖二：催化過雙氧水的二氧化錳，其反應速率變慢，表示催化

由結果看出反應過的二氧化錳，它的催化能力明顯變差，就是這無意中的發現，引發我們進行本實驗研究的動機。上面實驗兩者雙氧水的濃度相同，但對照組雙氧水的量是實驗組的兩倍，所以二氧化錳與雙氧水的比例就變成實驗組的一半。於是我們設計了下列的實驗，研究雙氧水的體積對反應速率的影響。

(1).雙氧水體積對產生氧氣速率影響的研究

取雙氧水溶液 (實驗級雙氧水和水以1：1的比例配成) 125㏄、100㏄、75㏄、50㏄、25㏄，分別加入0.2克二氧化錳，記錄產生氧氣所需的時間。

將上面實驗數據換算成速率（CC/秒）

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:時間(秒)

[***********]0

100㏄

200㏄

300㏄

400㏄

500㏄

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:速率(CC /秒)

圖三：雙氧水的體積和反應速率的關係。由上圖可發現反應的初始速率和雙氧水的體積無關

圖四：雙氧水的體積和反應速率的關係。由上圖可發現反應的初始速率和雙氧水的體積無關

由上面的結果可以發現，反應的初始速率和雙氧水的體積無關，至於體積較少時，由於反應時，雙氧水的濃度下降的比例較大，導至反應比其它組慢，但只要體積控制在75㏄(經過進一步追蹤發現只要60㏄即可) 左右，就不會影響本實驗的結果。

(2).雙氧水濃度對產生氧氣速率的研究

將實驗級的雙氧水（實驗級雙氧水濃度為35%，以P 代表），配製成濃度10％P 、20％P 、30％P 、40％P 、50％P 、60％P 的水溶液，各取75㏄，分別加入0.4克的二氧化錳，記錄產生氧的速率。

將上面實驗數據換算成速率（CC/秒）

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:時間(秒)

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:速率(CC /秒)

[***********]100500

100㏄

200㏄

300㏄

400㏄

500㏄

圖五：反應的初始速率約和雙氧水的濃度成正相關

圖六：由圖可以明顯看出雙氧水濃度越大，反應速率越快

由實驗的結果，可以發現反應的初始速率約和雙氧水的濃度成正相關

，至於最後的速率，濃度低的越變越慢，是因反應進行

時，不斷消耗掉雙氧水，要產生相同的氧氣，對濃度低的雙氧水，消耗的雙氧水比例比較高。如原先30％和60％的濃度是1：2，反應速率也約為1：2，但進行到實驗後半段，濃度比已小於1：2，所以收集100㏄時的速率比11：23(比值0.48) ；收集500㏄時的速率比變為64：151(比值0.423)

取雙氧水溶液 (實驗級雙氧水和水以1：1的比例配成) 75㏄四瓶，分別加入0.1、0.2、0.3、0.4克二氧化錳，記錄產生氧氣所需的時間。

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積

C:時間(秒)

將上面實驗數據換算成速率（CC/秒）

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:速率(CC /秒)

二氧化錳的量對反應速率的影響

[**************]0

100cc 200cc 300cc 400cc 500cc

圖七：二氧化錳的量與反應速率的關係。由圖發現，氧的分解速率和二氧化錳的量成正相關。

圖八：由圖發現二氧化錳越多，反應速率就越快

由實驗結果可以發現，氧的分解速率和二氧化錳的質量成正相

關。

(4).雙氧水對二氧化錳二次催化能力影響的研究

各取0.2克二氧化錳三份，分別放入75㏄純雙氧水(100%P)、50%P、25%P雙氧水溶液（實驗級雙氧水濃度為35%，以P 代表），靜置到不再冒泡，再將其曬乾，再分別加入75㏄1:1(50%P)的雙氧水做實驗，記錄產生氧氣所需的時間。

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:時間(秒)

將上面實驗數據換算成速率（CC/秒）

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:速率(CC /秒)

[***********]0010005000

100cc 200cc 300cc 400cc 500cc

圖九：浸泡過雙氧水，催化能力大減

圖十：二氧化錳浸泡過雙氧水，其催化能力即大幅降低

浸泡過雙氧水的二氧化錳帶有棕灰色，尤其浸泡過純雙氧水的二氧化錳，與其說它是黑色，不如說它是棕灰色。從實驗結果也明顯看出，雙氧水會改變二氧化錳的催化能力，而且隨著雙氧水濃度的增加，這種作用越顯著。我們推論二氧化錳的組成成份已改變，當然催化能力下降就不足為奇，為了探討造成這種改變的原因，我們又設計了下列實驗。

（二）探討反應中二氧化錳變質的原因及影響其催化能力的因素

(1). 溫度對二氧化錳變質的影響

取0.2克二氧化錳，放入60㏄水中，加熱沸騰後再加熱20分鐘，保留37.5㏄的水，再加入37.5㏄的雙氧水，記錄產生氧氣所需的時間。

取0.2克二氧化錳，利用沙浴加熱，將溫度控制在攝氏150，加熱20分鐘，冷卻後加入1:1的雙氧水75㏄，記錄產生氧氣所需的時間。 【實驗結果】

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:時間(

秒)

[***********]500

產生100cc

產生200cc

產生300cc

產生400cc

產生500cc

圖十一：加熱稍微降低二氧化錳的催化力，當加熱至150℃影

響較大。

由上面實驗的數據和圖，可以發現高溫確實會降低二氧化錳的催化力，但程度並不大，尤其當溫度在100℃以下只有稍為下降，進一步追蹤研究發現若溫度控制在80℃以下，二氧化錳

的催化力幾乎不受影響。加熱150℃的二氧化錳表面帶有一些灰色，但沒有浸泡過純雙氧水時明顯。

(2). 反應溫度對催化反應中二氧化錳變質的影響

由於催化反應中溫度會升高，甚至達沸騰，雙氧水濃度越高，溫度上升也越高，我們推想反應時溫度上升造成二氧化錳變質，所以設計下面實驗。

分別取0.2克二氧化錳與75㏄純雙氧水、50%p、25%p、12.5%p反應，為研究反應溫度對二氧化錳變質的影響，將反應置於冰和水以3:1的冷劑中反應，溫度始終控制在0℃以下，反應後，經乾燥分別取出0.2克二氧化錳，再和75㏄50%雙氧水反應，研究其催化能力是否降低。

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:時間(秒)

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:速率（CC/秒）

圖十二：雖然控制反應時的溫度，但浸泡過雙氧水的二氧化

錳，其催化能力仍然大幅降低

由上面反應發現雖然將反應溫度都控制在相同狀況，但催化過較濃雙氧水的二氧化錳，它的催化能力降的仍然較大，可見反應溫度不是造成二氧化錳變質的原因。

(2). 反應酸鹼值對催化反應中二氧化錳變質的影響

由於錳酸根離子、過錳酸根離子、二價錳離子、二氧化錳等物質在不同酸鹼性下可以互相轉換，所以我們假設反應會造成溶液酸鹼性的改變。

取0.2克二氧化錳加入75㏄的50%雙氧水裡，用廣用詴紙測反應中酸鹼性的變化。 【實驗結果】---詳見照片4

反應物（反應前）：二氧化錳、雙氧水溶液都是中性(雙氧水溶液是接近中性的弱酸性，以廣用詴紙詴成中性顏色) 反應過程中溶液：pH 值約變為4~5。 反應結束溶液：又變回中性。

這實驗讓我們吃足苦頭，因為反應前、反應後都是中性，開始都沒發現酸鹼性在反應過程中竟悄悄改變，是在一股契而不捨的精神下，重做數次才找到這微妙變化，這也更堅定我們

猜測酸鹼性變化是改變二氧化錳催化力的的想法。

為了驗證這想法，我們將新鮮二氧化錳用稀硫酸浸泡過，發現二氧化錳的催化力也大幅下降。

分別取2㏄二氧化錳水溶液、催化反應中溶液、催化反應後溶液滴入200㏄清水中，觀察水溶液顏色。

根據錳化物的顏色，二氧化錳是黑色，變棕灰色表示有部分二氧化錳已變成其它化合物，但由於錳的化合物很多，有些顏色又相近，且尚有些二氧化錳可能未變化（溶液仍帶有灰黑色）更加深判斷的困難，我們只能確定二氧化錳有變質，至於變成何種化合物，仍需更進一步研究。

（三）恢復二氧化錳催化能力的研究

(1) (1) 加鹽能否恢復二氧化錳催化力的研究

各取0.2克二氧化錳，分別放入75㏄純雙氧水(100%)(實驗級雙氧水視為100%)，靜置到不再冒泡，再將其曬乾，再加入3克的鹽攪拌溶解後，再加入75㏄1:1的雙氧水，記錄產生氧氣所需的時間。 【實驗結果

】

[***********]0010005000

100cc

200cc

300cc

400cc

500cc

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:時間(秒)

圖十三：加鹽可以使泡過雙氧水的二氧化錳恢復部分催化能

力。

由上面實驗發現加入食鹽，雖無法讓二氧化錳完全恢復原來的催化能力，但已加快約一倍的速率，不過這已足以證明，二氧化錳的組成成分或表面已遭破壞。

(2) (2) 亞硫酸鈉能否恢復二

氧化錳催化力的研究

嘗詴了各種方法，都無法有效的恢復二氧化錳的催化力，就在要放棄時，忽然想到，二氧化錳會不會在反應時被氧化了呢？於是去請教老師，在老師建議的藥品中，我們用亞硫酸鈉幾乎可以使二氧化錳完全還原！！

將實驗級的雙氧水，配製成濃度12.5％P 、25％P 、50％P 、100％P 的水溶液，各取200㏄，分別加入0.5克的二氧化錳，靜置到不再冒泡，將其曬乾，再用亞硫酸鈉還原（反應時控制pH 在7左右）後，再以0.2g 分別和75㏄1:1的雙氧水反應，記錄產生氧氣所需的時間。

A:實驗組別 B:

產生的氧氣體積 C:時間(秒)

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:速率（CC/秒）

以浸泡25%實驗做比較，結果如下：

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:時間(秒)

將上面實驗數據換算成速率（CC/秒）：

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:速率（CC/秒）

圖十四：亞硫酸鈉能回復變質的二氧化錳

以浸泡100%實驗做比較，結果如下：

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:時間(秒)

將上面實驗數據換算成速率（CC/秒）：

A:實驗組別 B:產生的氧氣體積 C:速率（CC/秒）

圖十五：亞硫酸鈉能回復遭100%雙氧水浸泡變質的二氧化錳的催化力，不過效果比圖十四(浸泡25%)稍差。

催化能力竟然幾乎完全恢復！催化能力都和未浸泡過的新鮮二氧化錳相當，其間的些許差異也和浸泡雙氧水的濃度無關，猜想可能和還原反應時pH 值有關，為了驗證這想法，我們將還原時的pH 控制在9以上，發現就無法恢復二氧化錳的催化力。

五、實驗討論：

1. 解開國中生對催化劑的迷思：

催化劑是參與化學反應的！只是反應完成後會變回原來的物質，反應過程中因為催化劑的參與而改變反應機制，致使反應速率受到影響，故催化劑本身有機會產生變化。二氧化錳催化雙氧水分解反應時，本身也會因劇烈的作用而改變性質，雙氧水的濃度越高，影響越大，所以實驗完的二氧化錳無法直接回收利用。實驗進行過後，若要再次收集氧氣，應清洗後重做，如直接加雙氧水，反應速率會慢得讓人受不了。

2. 雙氧水濃度才是影響反應速率的重要原因；雙氧水的體積不會影響反應速率！雙氧水的量(體積) 和反應速率關係不大，實驗時考慮要收集的氧氣量，使用適量的雙氧水即可，以免浪費。 3. 反應的速率和二氧化錳的質量及雙氧水的濃度成正相關，使用適量不但避免浪費，還可適當控制反應速率，避免發生意外。 4. 4. 單獨高溫應不是造成二氧化錳變質的主因，因為整個反應是在水溶液中進行，溫度應在100℃之下，根據實驗驗證，縱然在100℃時下，也只會造成二氧化錳輕微變化，80℃以下，二氧化錳催化力則機乎不受影響，但在催化雙氧水的反應時，縱使反應溫度控制在0℃，二氧化錳的催化力照樣下降，說明它仍會變質。

5. 5. 反應時的高溫（約80－90℃）加上雙氧水的氧化力、反應過程酸鹼值的改變，可能是造成二氧化錳變質的原因，但確切的原因尚有待更進一層的研究。

6. 6. 催化過雙氧水的二氧化錳，加入鹽，能恢復部分催化力，推想它是以另一種型態進行雙氧水的催化，由此我們可以進一步推論錳除了二氧化錳外，其它氧化態存在的錳也具有催化雙氧水分解的能力，只是效果差些，這可能是造成大家誤以為：二氧化錳催化雙氧水後它不改變的原因。

7. 7. 催化反應後，二氧化錳產生變化，其催化能力因而降低，我們可以利用亞硫酸鈉將其還原，推論二氧化錳的錳被更進一層氧化。

六、實驗結論：

實驗雖驗證了實驗課時無意中的發現:二氧化錳催化過雙氧水的分解反應，它的催化能力會衰減。這與課本上所提的有關催化劑的概念有些出入，或許二氧化錳不是一個典型的催化劑，應找其它更適合的物質來介紹，以免造成學生錯誤的觀念。更幸運的是，在無數次失敗後，終於找出二氧化錳變質的原因及回復其催化力的方法。水溶液的酸鹼性、反應物雙氧水的濃度、反應溫度都會影響二氧化錳的催化能力，而因為參與化學

反應的過程，部分二氧化錳變質，造成直接回收的二氧化錳對新雙氧水的反應催化效果降低，倘若每一屆的同學在做完雙氧水的實驗後，可由學校師長將所有用過的二氧化錳回收以亞硫酸鈉加以還原，將可以達到校園環保的目的！一方面節約二氧化錳的消耗，一方面培養同學回收化學藥品的觀念，一舉數得，豈不美哉！不過我不禁納悶，如此是否會造成學生對催化劑概念的誤導？其他的催化劑催化別人時，是否常伴隨自身性質的改變? 為何和教科書上催化劑的定義有如此大的差異？

七、實驗展望：

本次實驗的結果，雖深獲許多師長的好評，但不少師長也質問：只有催化反應速率變慢的證據，就說二氧化錳變質，是否武斷了些？許多老師建議我們送去鑑定，於是在北市科展後，我們央請老師協助，將新鮮的二氧化錳和浸泡過雙氧水的二氧化錳送去做光譜鑑定。光譜原理我們雖不懂，但兩者的光譜圖差異十分大，更加肯定我們對二氧化錳變質的推論。由於光譜不是我們做的，所以不放在實驗研究過程，放在此僅供參考。

這次實驗雖驗證二氧化錳催化時的性質改變，但對二氧

化錳是如何催化雙氧水的反應？反應中pH 值為什麼會變？催化後二氧化錳變成什麼？其他反應的催化劑有類似的現象

嗎？希望有機會能針對上述問題再做探討。

八、參考資料：

1. 1. 國中理化(國立編譯館) 2. 2. 細說高中化學

3. 3. 觸媒原理與應用(胡中興著 高立圖書有限公司) 4. 4. 工業化學概論(閻路編著 東華書局)

5. 5. 化學大詞典(林敬二、楊美惠、楊寶旺、廖德章、薛敬和等主編 高立圖書有限公司)

九、實驗照片：

照片1---配合實驗(一) 之(1)

照片2---配合實驗一之(2)

照片3---配合實驗一之(3)

照片4---配合實驗二之(2)

照片5. 6---配合實驗二之(3)

照片7---配合實驗三之(2)