实验：催化剂对反应速率的影响

催化剂是中四反应速率一章要求你调查的第四个因素，也是最令学生惊讶的一个，因为少量固体就能把一个缓慢的反应变成快速的反应，而自身不被消耗。过氧化氢分解成水与氧气是标准示范，用二氧化锰作催化剂。

本指南列出目的、方法、观察，以及实验考试所看重的试卷三技能。

目的

调查催化剂二氧化锰对过氧化氢溶液分解速率的影响，以氧气产生的快慢来衡量。

仪器与材料

• 锥形瓶
• 气体注射器，或用于排水集气的量筒与水槽
• 配有塞子的导气管，塞子须与锥形瓶吻合
• 秒表
• 量筒（例如 50 cm³）
• 电子天平
• 药匙
• 一种固定浓度的过氧化氢溶液
• 二氧化锰粉末（催化剂）
• 木条（用于检验氧气）

步骤

1. 用量筒量取固定体积的过氧化氢溶液，倒入锥形瓶。
2. 不加任何催化剂，装上塞子和接到气体注射器的导气管并启动秒表，每隔固定时间记录收集到的氧气体积。
3. 洗净锥形瓶，量取相同固定体积、相同的过氧化氢溶液倒入其中。
4. 称取固定质量的二氧化锰粉末加入溶液，立即装上塞子和导气管，并马上启动秒表。
5. 在相同的固定时间间隔记录收集到的氧气体积，直到反应停止。
6. 为确认气体是氧气，把带火星的木条放在管口；它会复燃。
7. 把两次实验的氧气体积对时间画在同一组坐标轴上，比较曲线的陡度。
8. 可选地，把二氧化锰过滤、烘干并再称量，以显示其质量不变。

预期观察

没有催化剂时，只有少量气体缓慢产生，气体注射器的活塞非常缓慢地向外移动。加入二氧化锰后，出现急剧起泡，混合物可能摸起来温热，氧气收集得很快，所以气体体积对时间的曲线在起始处陡得多。

带火星的木条复燃，确认气体是氧气。把二氧化锰回收、烘干并再称量时，其质量与之前相同，说明它没有被消耗。

推断与结论

有催化剂时陡得多的曲线显示反应速率快得多。二氧化锰是催化剂：它通过提供一条活化能较低的替代反应途径来加快过氧化氢的分解，所以更大比例的碰撞具有足够能量发生反应。

因为它的质量在反应结束时不变，所以它不被反应消耗。结论是：催化剂增大反应速率而自身不被消耗，而氧气的末体积只取决于分解的过氧化氢的量。

科学过程技能（试卷三风格）

提出假设。 加入二氧化锰增大过氧化氢的分解速率。

假设把操纵变量与反应变量联系起来。

辨认变量。 操纵变量是催化剂的有无。

反应变量是反应速率，以固定时间内收集到的氧气体积来衡量。固定变量是过氧化氢的体积与浓度以及温度。

列表记录数据。 画一个表，一列为时间，另设几列记录有催化剂与没有催化剂时收集到的氧气体积，均按气体注射器所允许的相同精度记录。

画图。 把两次实验的氧气体积（y 轴）对时间（x 轴）画在同一组坐标轴上。

较陡的曲线（有催化剂）表示反应较快；两条曲线都在相同的末体积处趋于平缓。

作出操作性定义。 催化剂用操作方式定义为：一种增大反应速率的物质，表现为气体收集更快，但其质量在反应结束时不变。

作出推断。 催化剂通过降低活化能起作用，所以更多碰撞有效、速率上升，而质量保持不变说明它没有被消耗。

安全须知

• 戴安全护目镜，因为过氧化氢会刺激眼睛与皮肤。
• 小心加入二氧化锰，装塞子时不要硬塞，因为反应可能剧烈、会喷溅混合物。
• 检验之前让带火星的木条远离反应，并让火焰远离收集到的氧气，因为氧气支持并加快燃烧。
• 皮肤若被过氧化氢溅到，立即用大量水冲洗，因为它会漂白与刺激皮肤。

常见错误

• 过氧化氢的体积或浓度不同。 这会独立于催化剂改变速率；两次实验都应使用相同的溶液与体积。
• 催化剂实验时装塞子太慢。 反应快，塞子迟了氧气就逸出；应把装置备好，在催化剂放入的一瞬间接好。
• 用点燃的木条而非带火星的木条检验气体。 氧气使带火星的木条复燃；应用带火星、而非燃着火焰的木条来做正确的检验。
• 把催化剂当作反应物。 它不出现在方程式中、质量也不变；应把它描述为催化剂，而非反应物。
• 带视差读气体体积。 在视线平齐处读注射器，使体积正确。

我们的老师如何使用这个实验

在一对一的 SPM化学课堂里，以英文授课、每小时 RM50 起，我们用这个实验来钉牢考试所要的催化剂定义：它通过提供活化能较低的途径来加快反应、且不被消耗，所以质量不变。我们反复演练氧气检验，带火星的木条复燃，以及那张显示催化剂实验更快升到相同末体积的双曲线图。

因为催化剂这个因素在 SPM化学 里被考查，而这又是经典的试卷三实验（试卷三为实验考试，评估科学过程技能），在这里用清楚的方法与精确的定义，能守住容易丢失的分数。