双氧水分解速率和稳定性研究

10. 3969 / i. issn. 1008 － 6781. 2010. 03. 012 收稿日期:2009 － 6 － 17 基金项目:嘉兴学院 SRT项目(8517080262) 作者简介:张清(1988 － )，女，湖北咸宁人，嘉兴学院生物与化学学院工艺化工 061 班学生;通讯作者:吴建一 . 双 氧 水 分 解 速 率 和 稳 定 性 研 究 张清，应超燕，余可娜，顾东虎，肖海湖，吴建一 (嘉兴学院生物与化学工程学院，浙江嘉兴 314001) 摘 要:通过用高锰酸钾双氧水浓度的方法，来测定双氧水的分解速率 . 并考察了温度、pH、金属 铜、锰、锌离子等对双氧水的分解速率的影响 . 得出:pH < 3. 5 和 T < 35℃时双氧水是稳定的，金属铜离子 对双氧水有催化分解作用，与文献报道一致 . 同时还发现金属离子锰、锌对双氧水的分解没有催化作用，首 次报道了金属锌离子作用下双氧水的分解动力学曲线 . 关键词:双氧水;分解速率;高锰酸钾分析法 中图分类号:TQ085. 41 文献标识码:A. 文章编号:1008 － 6781(2010)03 － 0051 － 03 Study on Decomposition Rate and Stability of Hydrogen Peroxide ZHANG Qing，YING Chao － yan，YU Ke － na，GU Dong － hu，XIAO Hai － hu，WU Jian － yi (School of Biological and Chemical Engineering，Jiaxing University，Jiaxing，Zhejiang 314001) Abstract:By using potassium permanganate to measure the concentration of hydrogen peroxide，the decomposition rate of hydrogen peroxide was determined. The influences of temperature，pH，metal copper，manganese，zinc ions on the decomposition rate of hydrogen peroxide were also studied. Results show that when pH < 3. 5 and T < 35 ℃，hy- drogen peroxide is stable，consistent with the reported in the literature;The study also indicates that manganese ions and zinc ions don＇t act as a catalyst in the decomposition of hydrogen peroxide. In addition，this paper reports hydrogen peroxide decomposition kinetics curve with the role of zinc ions for the first time. . Key words:hydrogen peroxide;decomposition rate;analysis of potassium permanganate 0 前言 双氧水作为一种“绿色”试剂，广泛应用于化工、纺织、造纸、军工、电子、航天、医药、建 筑及环境保护等行业 . ［1 － 3］由于双氧水分子结构的低对称性及过氧键的存在，造成双氧水容易发生自 分解反应 . 同时，高浓度双氧水溶液对杂质特别敏感，许多有机和无机杂质都会使其催化分解 . ［4 － 6］ 因此，如何合理使用双氧水将是这类清洁试剂推广的主要因素 . 作者通过研究双氧水自身浓度、温 度、pH值及金属离子 Mn2 +、Cu2 +和 Zn2 +对其分解速率和稳定性的影响，找出了双氧水安全使用和 最低无效分解的条件，从而为工业上使用双氧水提供依据 . 1 实验部分 1. 1 主要试剂与仪器 实验所用试剂有 KMnO4、Na2C2O2、CuSO4、MnSO4、ZnSO4、NaOH 等均为分析纯，其中 ·15· 第 22 卷第 3 期 2010 年 5 月 Vol. 22 No. 3 2010. 5 嘉兴学院学报 Journal of Jiaxing University Na2C2O2 需干燥后使用 . 采用的仪器主要有 DELTA 320 pH计 (上海特勒 －托利多仪器有限公司). 1. 2 溶液的标定 1. 2. 1 高锰酸钾溶液的标定 用草酸钠为基准物来间接标定高锰酸钾溶液 . 准确称量 0. 07g 草酸钠，取 50mL 水、5mL 3mol /L 硫酸于 100mL 锥形瓶中，在 75℃水浴条件下加热 2min，使草酸钠完全溶解后开始滴加高锰酸钾溶 液，直至溶液颜色变为粉红色时即为反应终点 . 在酸性条件下，草酸钠与高锰酸钾的反应式为: 5C2O4 2 － + 2MnO4 － + 16H + = 10CO2↑ + 8H2O + 2Mn 2 + 1. 2. 2 双氧水溶液的标定 用标定后的高锰酸钾溶液作为基准物标定双氧水溶液 . 移取 0. 5mL 双氧水于锥形瓶后依次加入 50mL蒸馏水、10mL 3mol /L的硫酸，用标定后的高锰酸钾溶液标定双氧水，当溶度由无色变为粉红 色时即为滴定终点 . 在酸性条件下，高锰酸根与双氧水反应为: 2MnO4 － + 5H2O2 + 6H + = 8H2O + 2Mn 2 + + 5O2↑ 1. 3 温度对双氧水分解速率的影响 量取 40mL双氧水于三颈瓶中，升温至 40℃，保持温度且分别于 0、5、10、20、30、40、50、 70、90min时测定双氧水浓度 . 同理测定 50℃，60℃温度下不同时间双氧水浓度 . 1. 4 pH对双氧水分解速率的影响 量取 40mL双氧水于三颈瓶中，调节溶液 pH = 6. 0 后升温至 60℃，保持温度且分别于 0、20、 40、60、80、100min时测定双氧水浓度 . 同理测定 pH =3. 6、pH =4. 5 条件下不同时间双氧水浓度 . 1. 5 不同金属离子对双氧水的催化作用 (实验方法同上) 在装有 40mL双氧水的三颈瓶中加入一定浓度的 Cu2 +溶液后升温至 60℃，保持温度且分别于 0、 20、40、50、60、80、100、120、140、160、180min时测定双氧水浓度 . 同理测定不同浓度 Mn2 +，Zn2 +的双氧水在相同条件不同时间下的浓度 . 2 结果与讨论 图 1 温度对双氧水分解速率的分析 2. 1 温度对双氧水分解速率的影响 在相同条件下，反应速率常数 k = α* exp (－ Ea /RT)， 明温度是影响化学反应速率的主要因素，即:速率常数 k 是 一个与温度相关的函数 . 由图 1 可知，与 40、50℃相比，60℃ 时双氧水的分解速率稍快，说明随着温度的增加双氧水的分解 速率也随之增加，但是分解速率也较慢 . 总体来说，温度对双 氧水的分解无较大影响 . 因此，若无其他催化条件的影响，双 氧水在 40℃以下能够保持稳定 . 2. 2 pH对双氧水分解速率的影响 由图 2 可知，pH = 5. 95 时，双氧水的分解速率较快，而 随着 pH值的减小，双氧水的分解速率降低，当 pH = 3. 61 时双氧水分解速率接近零，表明当 pH < 3. 5 时，双氧水已经能够保持稳定 . 2. 3 金属离子对双氧水分解速率的影响 在实际生产中，金属离子引入反应体系中十分常见，如反应器本身或在储存、运输、生产过程中 ·25· 嘉兴学院学报 第 22 卷第 3 期 图 2 pH对双氧水分解速率的分析 都可能带入金属离子，因此，研究几种常见的金属离子对双氧 水分解速率的影响具有十分重要的意义 . 2. 3. 1 铜离子对双氧水分解速率的影响 由图 3 可知，加入铜离子后双氧水的分解速率明显加快， 且浓度不同其催化能力也不同 . 铜离子浓度越大，双氧水的分 解速率越快，即催化作用越强 . 2. 3. 2 锰离子对双氧水分解速率的影响 由图 4 可知，加入锰离子后双氧水的分解速率无明显变 化，说明锰离子对双氧水的分解没有催化作用 . 2. 3. 3 锌离子对双氧水分解速率的影响 图 3 铜离子催化对双氧水分解速率的 分析 (T = 60℃) 由图 5 可知，加入锌离子后双氧水的分解速率无明显变 化，说明锌离子对双氧水的分解同样没有催化作用 . 3 结论 通过对双氧水在不同条件下分解速率的研究，得出 3 个方 面的结论: 1)随着温度的升高，双氧水的分解速率稍有加快，但总 体来说分解速率仍较慢，因此双氧水在室温条件下较为稳定， 可长久保存; 2)双氧水在弱酸性和碱性条件下表现出不稳定性，快速 分解，但是在 PH < 3. 5 的强酸性条件下双氧水是稳定的，因 此，双氧水必须保持在酸性条件下，以维持其稳定性; 3)铜离子对双氧水有明显的催化作用，能大大加快它的分解，而 Mn2 +、Zn2 +对双氧水无明显 的催化作用，因此双氧水要绝对避免引入 Cu2 +，以维持双氧水的稳定性 . 图 4 锰离子催化对双氧水分解速率的分析 (T =60℃) 图 5 锌离子催化对双氧水分解速率的分析 (T =60℃) 参考文献: ［1］刘炳录. 酸碱度对双氧水生产的影响与控制 ［J］. 河北化工，2005 (4):64 － 65. ［2］吴洪达，黄映恒. 过氧化氢的分解反应 ［J］. 河池师专学报:自然科学版，2002，22 (2):27 － 30. ［3］韦友欢，李艳丽，陈小华，等. 略谈影响 H2O2 分解的因素 ［J］. 南京师范高等专科学校学报，2004，21 (1):85 － 86. ［4］赵雨萌，杨淑蕙，倪永浩. 关于锰对过氧化氢的催化分解作用 ［J］. 纸和造纸，2002 (6):55 － 56. ［5］盛亮，杨淑蕙. 铁离子对过氧化氢催化分解的影响 ［J］. 黑龙江造纸，2006 (2):11 － 12. ［6］王清良，黄爱武，杨金辉，等. 过氧化氢的氧化特性及其在不同介质中的分解行为研究 ［J］. 2005，14 (1):59 － 61. (责任编辑 张 争) ·35·张清，应超燕，余可娜，等:双氧水分解速率和稳定性研究