海藻酸鈉微球催化過氧化氫分解實(shí)驗(yàn)的研究

許亮亮 陳懿 姚禹 閔凱文

摘要： 基于技術(shù)素養(yǎng)培養(yǎng)視角，借鑒催化劑工程設(shè)計(jì)理念，選用天然多糖海藻酸鈉作為催化劑支架，制備了負(fù)載不同催化劑海藻酸鈉微球，并利用數(shù)字化手持技術(shù)對(duì)微球的催化效果進(jìn)行了對(duì)比探究。整個(gè)實(shí)驗(yàn)所用材料價(jià)格低廉、無毒環(huán)保，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新穎有趣，操作簡(jiǎn)單安全。

關(guān)鍵詞： 海藻酸鈉微球； 過氧化氫分解； 催化； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2018）2007904中圖分類號(hào)： G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1問題提出

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚囊徊糠?。提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)已經(jīng)成為我國(guó)中學(xué)科學(xué)教育目標(biāo)中的核心內(nèi)容之一，但從目前中學(xué)化學(xué)學(xué)科的研究現(xiàn)狀和一線教學(xué)情況來看，化學(xué)教學(xué)中關(guān)于培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的教學(xué)研究和實(shí)踐則非常薄弱[1]。因此本實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)和提高學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)為旨?xì)w，在深入研讀人教版初、高中化學(xué)教材的基礎(chǔ)上，將學(xué)生熟悉的“過氧化氫制氧氣”作為探究情境，借鑒現(xiàn)代工業(yè)催化劑技術(shù)開發(fā)原理[2]，選用可食用的天然多糖海藻酸鈉作為催化劑支架，制備負(fù)載不同催化劑海藻酸鈉微球，并利用數(shù)字化手持技術(shù)對(duì)微球的催化效果進(jìn)行對(duì)比探究。整個(gè)實(shí)驗(yàn)所用材料價(jià)格低廉、無毒環(huán)保，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)新穎有趣，操作簡(jiǎn)單安全，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)過氧化氫制氧氣反應(yīng)速率的精準(zhǔn)控制，也使催化劑的回收再利用變得簡(jiǎn)單易行。筆者將該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于我校STEM化學(xué)選修課（兩課時(shí)）中，讓學(xué)生親身體驗(yàn)工業(yè)生產(chǎn)中制備負(fù)載型催化劑的技術(shù)設(shè)計(jì)思路和方法，并利用手持技術(shù)探究催化劑的催化效果，使學(xué)生運(yùn)用化學(xué)知識(shí)指導(dǎo)技術(shù)實(shí)踐并對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和改進(jìn)，學(xué)會(huì)從化學(xué)的角度思考技術(shù)問題，更深層次地認(rèn)識(shí)化學(xué)與技術(shù)在社會(huì)發(fā)展中的重要作用。

2實(shí)驗(yàn)原理

過氧化氫制氧氣是學(xué)生初三階段學(xué)習(xí)的化學(xué)反應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)綠色環(huán)保、操作簡(jiǎn)單、現(xiàn)象明顯、產(chǎn)物無污染。但也存在兩個(gè)問題： ①直接用MnO2催化時(shí)反應(yīng)速率過快，不易控制；②MnO2過濾回收耗時(shí)耗力，往往直接倒掉。因此有學(xué)者對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)[3～5]： 將聚乙烯熔化后粘附MnO2、用502膠水將MnO2粘在銅絲上、用水泥負(fù)載MnO2等方法催化H2O2分解。這些實(shí)驗(yàn)雖各有特點(diǎn)，但并沒有結(jié)合學(xué)生已有的化學(xué)知識(shí)和原理探究出更科學(xué)、更環(huán)保的反應(yīng)條件。

海藻酸鈉是一種以海帶、巨藻等褐藻為原料提取分離出的天然多糖類生物高分子（結(jié)構(gòu)見圖1），具有良好的生物相容性且可食用，被廣泛用于藥物控釋和組織工程類材料[6]。通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，本文將可降解水溶性高分子海藻酸鈉作為催化劑的載體支架，即將海藻酸鈉溶液分別與不同催化劑混合形成的混懸液滴入CaCl2溶液中，Ca2+取代海藻酸鈉上的Na+，通過離子鍵將海藻酸鈉高分子鏈進(jìn)行交聯(lián)固化（見圖2），形成三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)的負(fù)載催化劑微球[7]，然后利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器——壓力傳感器，定量探究負(fù)載不同催化劑海藻酸鈉微球催化H2O2分解的效果。

3實(shí)驗(yàn)過程

3.1藥品與儀器

30%過氧化氫溶液、二氧化錳、氧化銅、三氧化二鐵、三氧化二鉻、硫粉、海藻酸鈉、氯化鈣、去離子水；塑料滴管、燒杯、玻璃棒、酒精燈、磁力攪拌器、圓形篩子（直徑10cm，孔徑60目）、數(shù)字化壓力傳感器、電腦、鐵架臺(tái)（帶鐵夾）、錐形瓶

3.2實(shí)驗(yàn)操作

（1） 配制2%海藻酸鈉和10%催化劑（如MnO2）混合懸濁液25g；配制1%氯化鈣溶液50g。

（2） 用滴管將混懸液逐滴滴入1%氯化鈣溶液，反應(yīng)10分鐘，即制得負(fù)載催化劑海藻酸鈉微球，用篩子過濾并用去離子水洗滌。

（3） 取負(fù)載催化劑的海藻酸鈉微球30粒于大試管中，如圖3連接壓力傳感器，用注射器向錐形瓶中注入20mL濃度為5% H2O2溶液，溶液全部注入瞬間立即采集200s內(nèi)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。以該方法測(cè)定負(fù)載MnO2、 CuO、 Fe2O3、 Cr2O3和S的微球催化H2O2分解的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。最后用Origin8.6軟件繪制實(shí)驗(yàn)圖形。

① 磁力攪拌器； ② 反應(yīng)器； ③ 注射器； ④ 壓力傳感器； ⑤ 數(shù)據(jù)采集器

3.3海藻酸鈉微球的表征

（1） 為制備較大球徑的催化微球，實(shí)驗(yàn)前用剪刀剪去塑料滴管管口部分。用剪好的滴管吸取海藻酸鈉和催化劑混懸液滴入1%CaCl2溶液中，Ca2+迅速滲入混懸液小液滴中，將海藻酸鈉高分子鏈交聯(lián)成球，微球直徑約為3～4mm。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)混懸液溫度宜控制在40℃，滴加時(shí)可形成規(guī)則的球形。溫度太低，易形成小球拖尾；溫度太高，溶液流速快不易形成球形。CaCl2溶液濃度也不可過高，否則密度太大，小球會(huì)漂浮在溶液表面，影響固化。制備的負(fù)載五種不同催化劑的海藻酸鈉微球，由于催化劑本身顏色不同，所以微球分別顯示出不同的顏色（見表1）。

（2） 將負(fù)載不同催化劑的海藻酸鈉微球用于催化5%H2O2溶液時(shí)，觀察到負(fù)載MnO2、 CuO微球的表面迅速產(chǎn)生氣泡，微球浮起，而負(fù)載Fe2O3、 Cr2O3、 S微球產(chǎn)生氣泡較少（見表1）。同時(shí)利用壓力傳感器，定量測(cè)定了不同微球的催化效果，圖4中a、 b、 c、 d、 e即為負(fù)載MnO2、 CuO、 Fe2O3、 Cr2O3和S的海藻酸鈉微球催化H2O2分解產(chǎn)生O2的壓強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線圖。可以看到不同催化劑的催化效果相差較大，其中負(fù)載MnO2微球顯示了良好的催化效果，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生壓強(qiáng)較大，60s時(shí)即將膠塞彈飛；負(fù)載CuO微球催化效果較好，反應(yīng)溫和；負(fù)載Fe2O3、 Cr2O3微球催化效果一般；負(fù)載S微球催化能力最弱。

a 負(fù)載MnO2； b 負(fù)載CuO； c 負(fù)載Fe2O3； d 負(fù)載Cr2O3； e 負(fù)載S

4教學(xué)反思

中學(xué)化學(xué)課程中技術(shù)素養(yǎng)包括技術(shù)知識(shí)、技術(shù)實(shí)踐和技術(shù)情意三個(gè)維度[8]。本實(shí)驗(yàn)以技術(shù)知識(shí)為基礎(chǔ)、技術(shù)實(shí)踐為手段，最終促進(jìn)技術(shù)情意的形成，在三者的相互作用中促進(jìn)學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的形成。以下是結(jié)合本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)反思：

4.1融入工程設(shè)計(jì)理念，拓寬技術(shù)知識(shí)

本實(shí)驗(yàn)以過氧化氫制氧氣為探究情境，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)中常見的催化劑的工程設(shè)計(jì)理念，巧妙利用離子鍵交聯(lián)固化技術(shù)制備負(fù)載不同催化劑海藻酸鈉微球。該探究過程以學(xué)生已有知識(shí)為基礎(chǔ)，將實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)與工業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行良好結(jié)合，既降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，開拓了學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，更重要的是加深了學(xué)生對(duì)化學(xué)與技術(shù)之間關(guān)系的理性認(rèn)識(shí)。

4.2熟練常規(guī)實(shí)驗(yàn)操作，強(qiáng)化技術(shù)實(shí)踐

本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)了四種技術(shù)實(shí)踐活動(dòng)： （1）熟練配制溶液技術(shù)；（2）掌握物質(zhì)制備技術(shù)；（3）學(xué)會(huì)分離提純技術(shù)；（4）利用數(shù)字化儀器進(jìn)行定量分析技術(shù)。精確配制不同濃度溶液的技術(shù)操作在實(shí)際教學(xué)中往往被忽略，本實(shí)驗(yàn)所有溶液配制均由學(xué)生獨(dú)立完成，旨在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工匠精神，真正將提升學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)落到實(shí)處。學(xué)生使用壓力傳感器技術(shù)對(duì)不同微球的催化性能進(jìn)行數(shù)字化的表征，加深了對(duì)定量研究的理解，也感受到了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的便攜性、直觀性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性等特點(diǎn)。

4.3加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)反思創(chuàng)新，升華技術(shù)情意

本實(shí)驗(yàn)結(jié)束分組總結(jié)討論時(shí)，有學(xué)生提出高中生物課上使用的富含過氧化氫酶的肝臟研磨液，能否負(fù)載于海藻酸鈉微球上進(jìn)行催化呢？學(xué)生的“異想天開”讓本次實(shí)驗(yàn)探究真正實(shí)現(xiàn)了“言有盡而意無窮”。課后學(xué)生組成探究小組，選用10%肝臟研磨液，制備了負(fù)載生物催化劑過氧化氫酶的海藻酸鈉微球，取得了良好的催化效果。圖5即為負(fù)載過氧化氫酶微球催化H2O2分解壓強(qiáng)變化曲線圖，該微球顯示了良好的催化效果，短時(shí)間內(nèi)同樣產(chǎn)生較大壓強(qiáng)，65s時(shí)將膠塞彈飛。從圖中曲線斜率發(fā)現(xiàn)與負(fù)載金屬氧化物微球不同的是，負(fù)載過氧化氫酶微球催化效果隨時(shí)間延長(zhǎng)越來越弱。學(xué)生認(rèn)為可能是隨著反應(yīng)進(jìn)行，大量放熱，溶液溫度升高使生物催化劑過氧化氫酶失去了催化活性。學(xué)生結(jié)合自身知識(shí)進(jìn)行跨學(xué)科思考和嘗試，取得了極佳的探究結(jié)果，大大加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，激發(fā)了學(xué)生的自信心。

5結(jié)語

技術(shù)素養(yǎng)視角下進(jìn)行高中化學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)研究，不能只做“換湯不換藥”的形式變化，而要基于學(xué)生認(rèn)知、突出學(xué)科特色、體現(xiàn)前沿理念，緊扣教材，開發(fā)出真正讓學(xué)生感興趣的技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程。本實(shí)驗(yàn)中所用藥品均無毒無污染，用量少且便于回收利用，制備操作極其簡(jiǎn)單，現(xiàn)象非常明顯。學(xué)生不僅很好地完成了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)步驟，而且在反思階段打破了學(xué)科之間的知識(shí)界限，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了跨學(xué)科的思考和改進(jìn)[9]，完成了實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造性升級(jí)，真正促進(jìn)了技術(shù)素養(yǎng)的形成和發(fā)展。

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