臭味何處來?

過氧化氫製氧實驗之研究與探討

 

胡劭翔、許家齊、楊智睿、吳典霖

壹、摘要
    高中二年級下學期化學課本中的第七章:反應速率;其中有一項實驗是過氧化氫反應後變成氧氣,以二氧化錳當作催化劑,來加速反應的進行而產生氧氣。

照理說反應完成後所蒐集到的氣體應該為純氧,而「純氧」應是無色無味的氣體,但是我們卻意外的發現反應後所生成的氣體有一種奇特的臭味,而我們試著猜想其臭味是否為「臭氧」。而我們也設計了一連串的實驗和自創的裝置來證實其臭味是否為臭氧,並且試著使用自然環境中的生物酵素來催化過氧化氫,也發現了一些意想不到的結果。另外我們也使用控制酸鹼濃度的範圍的方法,看看在不同pH值下過氧化氫的反應速率是否受其影響或表現出某些規律。

這些以「臭味」作為出發點而慢慢推展的一連串實驗和推論,以下報告的內容將為您做最完整的呈現!

貳、研究動機

    以前我們曾經做過雙氧水以二氧化錳做催化劑來製備氧氣的實驗,理論上產生出來的氣體應為無色無味無臭的氧氣,但是經過實驗製得的氧氣卻有一股刺鼻的臭味。因此我們想探究其中原因,並提出改進的方法,使實驗結果產生的氣體不再含有臭味。

參、研究目的

()雙氧水加入二氧化錳產生的氣體含有刺鼻臭味,推論並檢驗臭味為何物。
(
)測量等量二氧化錳當催化劑加入不同濃度的雙氧水反應產生氣體的速率及體積。
(
)測量等量二氧化錳當催化劑加入不同濃度的雙氧水反應產生氣體中含臭氧之百分

   率。
(
)測量不同催化劑加入等濃度雙氧水反應產生氣體之速率及體積。
(
)測量不同催化劑加入等濃度雙氧水反應產生氣體中含臭氧之百分率。
(
)測量等量二氧化錳加入等濃度雙氧水在不同酸鹼度中反應之速率及體積。
(
)設計實驗使雙氧水加入催化劑後,產生的氣體為單純的氧氣,不再含有其他氣體。

肆、研究設備及器材

()器材:分液漏斗、側管錐形瓶、量筒、燒杯、有枝試管、玻璃球管、滴定管、水盆、
        
碼表、鑷子、橡皮管、KI-澱粉紙
(
)藥品:過氧化氫、二氧化錳、硫酸亞鐵、活性碳粉、硫化鉛、氧化銅、澱粉、碘化

         鉀、硫代硫酸鈉、鹽酸、氫氧化鈉、芭樂、檸檬、蓮霧、馬鈴薯、番茄、柳丁、雞心、雞肝、雞胗、雞睪丸、雞肉、豬肉、豬皮、豬肝、豬心、豬腎、木瓜、地瓜、蘿蔔

伍、研究過程及結果

【實驗一】雙氧水加入二氧化錳產生的氣體含有刺鼻臭味,推論並檢驗臭味為何物

()推論產生的刺鼻臭味為何物:
  
雙氧水以二氧化錳當催化劑可得到水和氧
   

    由上式我們推論,反應過程中可能產生初生態氧原子(O),氧原子(O)再與氧氣(O2)結合成臭氧(O3)

()設計實驗檢驗產生之氣體是否含有臭氧
  
實驗設計:依照裝置圖(),取25%雙氧水10ml加入3g的二氧化錳中,以碘化鉀—澱粉試紙,檢驗產生出來的氣體,若含有臭氧,碘化鉀-澱粉試紙會呈藍黑色。

 



 




 

 

 

 

 

 

 

裝置圖()

 

()實驗結果:KI-澱粉試紙呈藍黑色,證實刺鼻臭味為臭氧。

 

【實驗二】測量等量二氧化錳加入不同濃度雙氧水反應產生氣體的速率及

體積

()實驗步驟:
  1.
依裝置圖(),分別取濃度為5%15%25%35%H2O2溶液10ml加入裝有

 3g二氧化錳的有側管錐形瓶中,以排水集氣法收集產生出來的氣體。記錄產生100ml氣體所需時間、完成反應所需時間及產生氣體總體積。

         

裝置圖()

 

()實驗結果:

濃度

產生100ml氣體所需時間(s)

初速率
(ml/s)

完成反應

所需時間

產生氣體總體積(ml)

產生氣體總毫莫耳數(mmol)

5%

105.4

0.95

350

126

5.2

15%

29.18

3.4

317

292

12.0

25%

14.3

7

420

752

31.1

35%

12

8.3

439

899

37.2

(溫度:19CPH2O=16.5mmHgP大氣=764mmHg)

 

()初速率與濃度關係圖

【實驗三】測量等量二氧化錳加入不同濃度的雙氧水反應產生氣體中含臭

氧之百分率

()實驗步驟:
   1.依照裝置圖(),甲有枝試管試管置入15ml蒸餾水,乙、丙、丁有枝試管各置

0.2MKI-澱粉溶液15ml,側管錐形瓶中放入3g二氧化錳,分液漏斗中置入10ml雙氧水。
    

裝置圖() 

 

2.完成反應後將有枝試管乙、丙、丁裡之溶液集中到一個燒杯中,以0.005M的硫代硫酸鈉溶液滴定至藍黑色褪色,記錄用去硫代硫酸鈉溶液之體積,再求出產生臭氧之莫耳數。                   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

()實驗結果
    1.
變色情況:

 

乙試管

丙試管

丁試管

5%

無變色

無變色

無變色

15%

藍黑色

淺紫色

無變色

25%

藍黑色

藍黑色

淺紫色

35%

藍黑色

藍黑色

藍黑色

  

2.數據:

雙氧水
濃度

滴定用去硫代硫酸鈉溶液之體積

用去硫代硫酸鈉之毫莫耳數

產生臭氧之毫莫耳數

臭氧佔全部氣體之莫耳百分率

5%

0 ml

0 mmol

0 mmol

0%

15%

1.3 ml

0.0065 mmol

0.0033 mmol

0.027%

25%

8.06 ml

0.0403 mmol

0.0200 mmol

0.067%

35%

10.8 ml

0.0540 mmol

0.0270 mmol

0.073%

   3.濃度與臭氧佔全部氣體之莫耳百分率之關係圖

 

【實驗四】測量不同催化劑加入等濃度雙氧水反應產生氣體之速率及體積

 ()實驗步驟
    1.
催化劑準備:
   (1)無機物催化劑:二氧化錳、硫化鉛、氧化銅、硫酸銅、硫酸亞鐵各取3g
      (2)動物性酵素:雞心、雞肝、雞胗、雞睪丸、瘦豬肉、肥豬肉、豬皮等用果汁

機搗碎後各取3g
   (3)植物性酵素:芭樂(果肉)、芭樂()、檸檬、蓮霧、馬鈴薯、蕃茄()、蕃茄(

)、柳丁()、柳丁(果肉)等用果汁機絞碎後各取3g
    2.
依裝置圖(),取25%之雙氧水10ml,分別加入各種催化劑,以排水集氣法收集

氣體,記錄產生100ml氣體所需時間、完成反應所需時間及產生氣體總體積。
  

裝置圖()

 

()實驗結果:

   1.無機物催化劑

 

催化劑

產生100ml氣體所需時間(s)

初速率
(ml/s)

完成反應所需時間(s)

產生氣體總體積(ml)

產生氣體總毫莫耳數(mmol)

二氧化錳

14.3

7.0

260

752.5

30.9

硫酸亞鐵

4.33

23.1

38

995

40.8

硫化鉛

3.74

26.7

210

758

31.1

氧化銅

0

0

0

0

0

硫酸銅

0

0

0

0

0

 

   2.植物性酵素
      

催化劑

產生100ml氣體所需時間(s)

初速率
(ml/s)

完成反應所需時間(s)

產生氣體總體積(ml)

產生氣體總毫莫耳數(mmol)

芭樂(果肉)

156

0.64

1312

330

13.5

芭樂()

×

×

×

×

×

檸檬

×

×

×

×

×

蓮霧

231

0.43

1931

341

14.0

馬鈴薯

93

1.08

833

515

21.1

蕃茄(果肉)

208

0.48

1840

338

13.9

蕃茄()

×

×

×

×

×

柳丁()

×

×

×

×

×

柳丁(果肉)

×

×

×

×

×

木瓜

53.5

1.68

965

405

16.6

地瓜

125

0.8

496

208

8.5

蘿蔔

×

×

×

×

×

 

   3.動物性酵素

 

催化劑

產生100ml氣體所需時間(s)

初速率
(ml/s)

完成反應所需時間(s)

產生氣體

總體積(ml)

產生氣體總毫莫耳數(mmol)

雞心

229

0.44

1665

378

15.5

雞肝

3

33.33

157

765

31.4

雞胗

121

0.83

1368

358

14.7

雞睪丸

223

0.45

1560

480

19.7

雞肉

312

0.32

1974

410

16.8

雞血

×

×

×

×

×

肥豬肉

263

0.38

2490

400

16.4

瘦豬肉

118

0.85

932

377

15.5

豬皮

515

0.15

2261

145

6.1

豬肝

5

20

473

892

36.6

豬心

70.8

1.41

816

305

12.5

豬腎

24

4.17

789

870

35.7

   

 


(
)由實驗得到:
  
產生氣體之初速率比較-

1.植物性酵素:木瓜>馬鈴薯>地瓜>芭樂(果肉)>蕃茄(果肉)>蓮霧

2.動物性酵素:雞肝>豬肝>豬腎>豬心>瘦豬肉>雞胗>雞睪丸>雞心>肥豬肉>雞肉>豬皮

 

【實驗五】測量不同催化劑加入等濃度雙氧水反應產生氣體之百分率
()實驗步驟:
   1.
依照裝置圖(),甲有枝試管試管置入15ml蒸餾水,乙、丙、丁有枝試管各置入

  0.2MKI-澱粉溶液15ml,側管錐形瓶中放入各種催化劑,分液漏斗中置10ml雙氧水。

2.完成反應後將有枝試管乙、丙、丁裡之溶液集中到一個燒杯中,以0.005M的硫代硫酸鈉溶液滴定至藍黑色褪色,記錄用去硫代硫酸鈉溶液之體積,再求出產生臭氧之莫耳數
     

 

裝置圖()

 

 

 

 

()實驗結果
     1.
以二氧化錳、硫化鉛、硫酸亞鐵為催化劑者,KI-澱粉溶液呈藍黑色,表示有臭

  氧產生,其餘種類催化劑並未有變化,表示沒有臭氧產生。
   2.

雙氧水
濃度

滴定用去硫代硫酸鈉溶液之體積

用去硫代硫酸鈉之毫莫耳數

產生臭氧之毫莫耳數

臭氧佔全部氣體之莫耳百分率

二氧化錳

13.6 ml

0.0136 mmol

0.0068 mmol

0.022%

硫酸亞鐵

9.8 ml

0.0098 mmol

0.0049 mmol

0.012%

硫化鉛

9.3 ml

0.0093 mmol

0.0047 mmol

0.015%

芭樂(果肉)

0

0

0

0

蓮霧

0

0

0

0

馬鈴薯

0

0

0

0

番茄(果肉)

0

0

0

0

雞心

0

0

0

0

雞肝

0

0

0

0

雞胗

0

0

0

0

雞睪丸

0

0

0

0

雞心

0

0

0

0

肥豬肉

0

0

0

0

瘦豬肉

0

0

0

0

豬皮

0

0

0

0

豬肝

0

0

0

0

豬心

0

0

0

0

豬腎

0

0

0

0

 

    3.含臭氧百分率:二氧化錳>硫酸亞鐵>硫化鉛以生物酵素做催化劑者皆測不出含臭氧。

【實驗六】測量等量二氧化錳加入等濃度雙氧水在不同酸鹼度中反應之速率及體積

   ()實驗步驟:
   1.如裝置圖(),分別取濃度1M0.2M0.1M0.02M的氫氧化鈉溶液各10ml  

1M0.2M0.1M0.2M的鹽酸溶液各10ml以及10ml的蒸餾水,分別置入裝有3g二氧化錳的側枝錐形瓶中,加入25%雙氧水,以排水集氣法收集產生出來的氣體。記錄產生100ml氣體所需時間、完成反應所需時間及產生氣體總體積。
           

裝置圖()

()實驗結果:

 

溶液

產生100ml氣體所需時間(s)

初速率
(ml/s)

完成反應所需時間(s)

產生氣體總體積(ml)

0.5M氫氧化鈉

4

25

16

1220

0.1M氫氧化鈉

5.7

17.5

20.1

1010

0.05M氫氧化鈉

7.1

14.1

37

1020

0.01M氫氧化鈉

7.5

13.5

132

904

蒸餾水

7.6

13.1

409

890

0.5M鹽酸

3.2

31.3

53.9

1010

0.1M鹽酸

4.1

24.4

63.9

890

0.05M鹽酸

7.4

13.5

287

960

0.01M鹽酸

7.9

12.7

354

880


(
)由實驗推測,二氧化錳在鹼性溶液和酸性溶液皆有催化效果,而不論在鹼性溶液

或酸性溶液的狀況下,濃度愈大,催化效果均愈好;反應完成所需時間以鹼性溶液較短。

                            

 

 

【實驗七】設計實驗使雙氧水加入催化劑後,產生的氣體為純氧,不再含有其他氣體

文字方塊: 乙

 

文字方塊: 甲

 

一、實驗設計A
(
)實驗設計:設計裝置圖()

 


                                                         

裝置圖()


       

 

 

()設計原理:

1.利用有枝試管甲,內裝蒸餾水,用來吸收揮發出來的H2O2

2.利用玻璃球B,內裝活性碳粉,用來吸附產生的臭氧並將臭氧分解成氧氣。
               2O3        3O2
                          

 ()實驗證明:將產生的氣體導入內裝有KI-澱粉溶液的乙試管中,結果並未產生藍 黑色,證明產生的氣體中不再含有臭氧。

二、實驗設計B
(
)設計原理:

文字方塊:   A          B
1.利用試管A,內裝蒸餾水,用來吸收揮發出來的H2O2
    2.
以生物酵素(如實驗四中所用的雞肝、馬鈴薯、雞心等)來取代MnO2等無機物催

 化物。
           

()實驗證明:將產生的氣體導入內裝有KI-澱粉溶液的試管B中,結果並未產生藍黑色,證明產生的氣體中不含有臭氧。

 

 

陸、討論

一、由實驗一中,雙氧水加二氧化錳,產生的氣體含有刺鼻臭味,經KI-澱粉試紙檢驗呈藍黑色,證明此氣體中應該含有臭氧,臭氧與碘化鉀反應生成碘:

    O3+2KI+H2O       O2+I2+2KOH
   
碘遇澱粉成藍黑色。
二、實驗二中,產生氣體總莫耳求法為:
   
在計算氣體體積前,先調整大量筒,使內外水面一樣高,再做壓力校正。
    

利用PV=nRT,即可求得氣體之莫耳數(n=PV/RT)
三、實驗三中,臭氧的莫耳數求法為:
  臭氧將碘化鉀氧化成碘,碘遇澱粉成藍黑色O32KI+H2O       O2+I2+2KOH
   
產生的碘,用已知濃度的硫代硫酸鈉溶液滴定至無色

  記錄用去硫代硫酸鈉溶液之體積,即可知用去硫代硫酸鈉之莫耳數,由方程式可

 知產生臭氧之莫耳數,恰等於用去硫代硫酸鈉莫耳數的一半。
四、由實驗三得知:雙氧水濃度越高,加入二氧化錳時產生的氣體中含臭氧之百分率

就越大,可能因為濃度高反應激烈,產生很多初生態氧原子,氧原子與氧分子結合成生成臭氧:

 

五、由實驗四發現:生物酵素亦可做分解雙氧水的催化劑,由生物學得知,生物細胞

內含有過氧化氫脢,他在生物體內的作用一般認為能防止細胞進行生理作用時產生過氧化氫堆積,以達到解毒功用。

六、由實驗五得知:以二氧化錳、硫酸亞鐵等無機物當作催化劑會產生臭氧,而以生物酵素作為催化劑則不會產生臭氧,其原因可能是因為反應機構不同。

七、實驗三中所使用的碘化鉀-澱粉溶液不能在空氣中放置太久,因為碘化鉀在暴露在空氣中會進行自身氧化還原變成碘(I2),造成澱粉變色。因此碘化鉀-澱粉溶液調配好以後要立即進行實驗,避免實驗結果有誤差。碘化鉀-澱粉溶液要實驗開始前要先攪拌均勻,以免變色產生誤差。

 

 

柒、結論

一、雙氧水以二氧化錳當催化劑時會產生刺鼻的臭味,此臭味是由於雙氧水在激烈反應時產生了少量的臭氧。

二、雙氧水的濃度越高,加入二氧化錳時,產生的氣體速率就越快,且氣體中含有臭氧的百分率也越大。

三、雙氧水中若加入無機物催化劑如二氧化錳、硫化鉛、硫酸亞鐵等,產生的氣體中,均會產生臭氧,含臭氧百分率大小:二氧化錳>硫酸亞鐵>硫化鉛。

四、雙氧水中加入動物性催化劑,以肝臟催化的效果最好;植物性催化劑,以木瓜催化的效果最好。

五、雙氧水中若加入生物性催化劑(酵素),如芭樂、馬鈴薯、雞心、雞肝、豬肉等,產生的氣體中,均不含臭氧。

六、利用雙氧水加催化劑製備氧,若要得到單純的氧氣而不含臭氧,可依照實驗()中的實驗設計A和實驗設計B來製作。

七、.以生物酵素做催化劑,溫度不可太高,以避免酵素變性影響實驗結果。

八、由實驗六推測,以二氧化錳當催化劑時,不論在鹼性溶液中或酸性溶液中,濃度越大,催化效果均越好,反應完成所需時間,以鹼性溶液較短。

 

捌、參考資料

1.曾國輝著,化學(上冊),藝軒圖書出版社,200212月。

2.楊寶旺、林敬二主編,定量分析及實驗,高立圖書有限公司,1995612版。 

3.趙世彬編著,生物化學,藝軒圖書出版社,19899月。

4.歐靜枝著,酵素,復漢出版社,19972月。

 


 

胡邵翔等四人為本校96級學生,在邱文顯老師指導下,榮獲全國第45屆科展化學科第三名,本文即其研究成果。