觸媒對過氧化氫分解反應之影響 / 趙益祥、佘瑞琳

星期三 , 3, 一月 2018 Leave a comment

觸媒對過氧化氫分解反應之影響

趙益祥、佘瑞琳*

國立臺灣大學化學系
*
shirlin@ntu.edu.tw

n  前言

觸媒(Catalyst)又稱為催化劑,是一種加到反應系統中,可以參與反應以加快反應速率,而本身不被消耗或轉化的物質。觸媒的加入,降低反應的活化能,讓反應在較低的溫度下可快速反應,達到節能的目的,因此在工業製程上有許多的應用,如食用油氫化和重要化工藥品氨的製程等,均需要借助觸媒。觸媒一般分為均相觸媒、異相觸媒及生物觸媒(酶或酵素)三大類,各有作用機制。其中酵素,在生物體內扮演重要角色,所有的生長代謝過程,如醣類代謝、蛋白質合成和分解、遺傳訊息傳遞等,都需要酵素的參與。酵素的催化反應具有高的專一性且好的催化效率,但因酵素一般是由具有特殊立體結構的蛋白質組成,因此受環境酸鹼度和溫度等影響很大1

本研究利用高中化學和日常生活中常見的雙氧水分解反應,設計一項綜合實驗,讓學生觀察三類觸媒的催化效應與特性並測定分解速率。教師可以依此實驗為藍本,設計科學探究實驗。

n  原理與概念

日常生活中用以消毒傷口的雙氧水,是含有3H2O2的過氧化氫水溶液。在室溫下久置,過氧化氫會自然分解成水和氧氣,而失去效力,其分解反應如式[1]所示。

clip_image002    [1]

我們可以使用均相觸媒KI水溶液、異相觸媒MnO2固體及生物觸媒催化此分解反應。均相觸媒KI參與分解反應的機制如式[2]和式[3]所示2。異相觸媒MnO2則是讓反應物吸附在接觸面的活性位置,使反應活化能降低,而加快反應。

clip_image004    [2]

clip_image006    [3]

生化反應中的觸媒稱為酶或酵素,多由蛋白質和輔酶所組成,具有特殊的立體結構,對反應受質具有高的專一性,在一般體溫的溫度下就有很好的催化效率。酵素的催化機制,一般以鎖鑰模式來說明,如式[4]所示:酵素(E)的活化中心先與受質(S)結合,形成位能較低的活化複合體(ES),再將受質快速轉變成為產物(P)而脫離酵素。因此當環境的酸鹼度或溫度改變,酵素的立體結構發生變化時,它的催化效率會有極大的變化。

酵素(E+ 受質(S® 酵素受質(ES® 酵素(E+ 產物(P    [4]

本實驗使用過氧化氫水溶液的分解反應,來觀察比較不同相態觸媒的催化效果,並探討影響酵素活性的因素。由於分解反應所產生的氧氣不易透過肉眼觀察,因此在過氧化氫溶液中加入洗碗精以包覆所產生的氧氣,並將反應系統置於量筒中,隨著定量催化劑催化分解反應的進行,量筒中的清潔劑泡沫面也隨的升高,記錄泡沫面高度隨時間的變化,可定量分解反應速率3

n  藥品、器材與材料

一、藥品

每組用量:二氧化錳0.1~0.3 g3%過氧化氫35 mL2.0 M碘化鉀溶液1~3 mL50%洗碗精2 mL液態氮5 mL

二、器材與材料

每組用量:線香數支、豬肝1小片、剪刀1支、鑷子1支、錶玻璃1個、蒸發皿1個、燒杯(100 mL1個、量筒(50 mL3個、塑膠滴管2支、麻布手套1雙、塑膠盆1個、計時器1個,如相片一所示。

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相片一:剪刀和豬肝(上左)、量筒和塑膠盆(上右)、蒸發皿和錶玻璃(下左)、麻布手套和塑膠滴管(下右)

三、藥品配製

l  3%過氧化氫溶液:量取100 mL30H2O2加水稀釋到1 L

l  2.0 M碘化鉀KI:秤33.2 g碘化鉀(KI)溶解稀釋至100 mL

l  50%洗碗精:量取50 mL的洗碗精加水稀釋到100 mL

n  實驗步驟

一、過氧化氫分解反應異相與均相觸媒

1.        秤量約0.1 gMnO2,加至50 mL量筒中。再加入3滴洗碗精,並放置量筒於塑膠盛接盆,如相片二所示。

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相片二:量筒中加入0.1 gMnO23滴的洗碗精

2.        於量筒中加入5 mL3%過氧化氫溶液,迅速搖動量筒以混合溶液,計時並每隔510秒觀察記錄所產生清潔劑泡沫的體積,以測定H2O2的平均分解速率(mL/s),如相片三所示。

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相片三:觀察記錄所產生清潔劑泡沫的體積

3.        待反應完全、清潔劑泡沫較為消泡後,以點著的線香,快速地垂直插入量筒中的氣泡內,觀察記錄線香燃燒情形,並判斷分解反應所產生氣體的性質,如相片四所示

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相片四:線香垂直插入量筒泡沫內

4.        以毛刷刷洗量筒,改為加入1 mL2.0 M碘化鉀,並重新取3滴洗碗精,再加入5 mL過氧化氫溶液後,迅速搖動量筒以混合,計時並觀察記錄H2O2分解速率,如相片五所示。待泡沫鬆散時再插入線香,觀察記錄線香燃燒情形。

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相片五:1 mLKI催化過氧化氫分解

5.        刷洗量筒,改變觸媒用量(如改用2 mLKI0.2 gMnO2),比較H2O2分解速率。

二、過氧化氫分解反應生物觸媒

1.        以剪刀,剪裁豬肝為大小面積約相等的三小片,如相片六所示。於50 mL量筒中加入一小薄片新鮮豬肝,再依序加入3滴洗碗精和5 mL過氧化氫溶液。觀察記錄H2O2分解使清潔劑泡沫產生的速率。

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相片六:新鮮豬肝裁剪為大小面積約相等的三小片

2.        於蒸發皿中倒入適量液態氮,再取一小薄片新鮮豬肝置於其中,讓豬肝急速冷凍,如相片七所示。以鑷子夾取豬肝置於50 mL量筒中,再依序加入3滴洗碗精和5 mL過氧化氫溶液,觀察記錄H2O2分解速率。

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相片七:液態氮急速冷凍新鮮豬肝

3.        取一小薄片豬肝,放置於100 mL燒杯的沸水中,加熱至豬肝變色完全煮熟,如相片八所示。以鑷子夾取豬肝,放置於50 mL量筒中,再依序加入3滴洗碗精和5 mL過氧化氫溶液,觀察記錄H2O2分解速率。

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相片八:沸水加熱煮熟新鮮豬肝

4.        50 mL量筒中加入2滴自豬肝流出的血水,再依序加入3滴洗碗精和5 mL過氧化氫溶液,觀察記錄H2O2分解速率。比較豬血水與豬肝的催化效應,如相片九所示

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相片九:比較豬血水與豬肝的催化效應

n  結果與討論

雙氧水的催化分解反應是一般化學教師會運用以進行「大象牙膏示範實驗」的化學反應,所使用的雙氧水濃度高,催化分解速率快,以達到吸引學生注意的效果。於本研究中,我們調降雙氧水的濃度與用量,稀釋洗碗精的濃度,再選擇適合的觸媒,在量筒中進行催化分解反應,讓學生使用簡單的量測清潔劑泡沫產生的體積,以測定分解反應速率。實驗過程中,以線香燃燒測試產物氧氣的性質,增加實驗的趣味性。

本實驗曾經於臺灣大學普通化學實驗由大一學生實作,蒐集25組學生實驗結果,以0~30秒間所產生清潔劑泡沫的體積計算過氧化氫分解反應的平均速率,如表一所示。學生測量所得的平均速率會隨「是否持續混合量筒中溶液的方式」及「計算平均速率的時間」而略有差異。然而整體實驗數據均顯示,以均相觸媒(KI)催化效果較異相觸媒(MnO2)為佳;觸媒用量增加,則催化效率提升。

表一:過氧化氫分解反應異相與均相觸媒催化速率

觸媒

0.1 g MnO2

0.2 g MnO2

1 mL 2 M KI

2 mL 2 M KI

速率(mL/s

0.28

0.40

0.38

0.75

本實驗另以購自市場的生鮮豬肝作為生物觸媒來源,催化過氧化氫分解反應。實驗中比較新鮮豬肝、煮熟的豬肝及流自豬肝的血水的催化效應。學生所測得030秒間的平均速率結果如表二所示。發現以2滴豬肝血水催化分解的速率最快,其後依序為新鮮豬肝和冷凍豬肝。由於豬肝血水可與溶液充分混合,因此催化效果佳;由於新鮮豬肝只有表層與反應液接觸,因此催化效果次之。冷凍豬肝在液態氮(-195oC以下)的極低溫度下,催化活性降低許多,但一旦回復至室溫後,活性即可恢復,繼續催化過氧化氫分解。煮熟豬肝則由於高溫破壞過氧化氫分解酵素的結構,使其失去催化活性,縱使回復到室溫,依然無法催化過氧化氫的分解。在學生的實驗數據中,煮熟豬肝仍有少許活性(0.04 mL/s),主要是因煮熟豬肝沾到少許豬血水而催化分解反應,或沒有完全煮熟所致。

表二:過氧化氫分解反應生物觸媒催化速率

觸媒

新鮮豬肝

新鮮豬肝

煮熟豬肝

2滴豬肝血水

速率(mL/s

0.75

0.31

0.04

> 50 mL

在學生的實驗過程中,我們亦發現觸媒的加入順序對實驗結果影響甚大,例如:先加入洗碗精和5 mL過氧化氫溶液,最後加入觸媒時,MnO2和豬肝皆易浮於清潔劑泡沫面上,甚至被泡沫包覆,無法在溶液中發揮催化效果,因此改變加入順序為:先取觸媒與洗碗精,再加入過氧化氫溶液,混合可以較為均勻,反應較為完全。

以燃燒線香測試清潔劑泡沫中的氧氣時,可觀察到線香遇到清潔劑泡沫中的氧氣而燃燒更旺。但線香極易因觸碰到清潔劑泡沫而熄滅,若能等反應完全後,清潔劑泡沫稍微消泡後,線香較不易熄滅,且當線香往量筒下方移動時,可觀察到線香持續燃燒的更旺盛,如相片十所示。

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相片十:以線香測試包覆於清潔劑泡沫中的氧氣燃燒

n  注意事項

l  為避免照光分解,2.0 M KI必須存放於茶色瓶或於瓶身包覆鋁箔紙。

l  3%過氧化氫溶液必須新鮮配製,使用後冷藏,以避免自然分解而降低濃度,造成分解反應效果不佳。

l  各相態觸媒盡量保持垂直加入,避免碰觸量筒壁而導致未與反應物反應

l  加入洗碗精後過氧化氫水溶液後,應盡快水平旋轉搖動量筒以均勻混合溶液。

l  線香插入量筒測試氣體性質的最佳時機是,等待過氧化氫分解反應完且等到清潔劑泡沫鬆散時,再垂直插入到清潔劑泡沫1/3位置;避免插入太深或觸碰到液體導致線香熄滅。

l  線香點燃的時機是在要用時才點燃,避免空燒而使實驗室蓄積煙霧。

l  實驗過程中豬肝和豬血水宜放置於冰浴中冷藏,避免天熱時發臭變質。

l  新鮮猪肝和豬肝血水加入後反應極快,應盡快觀察,否則易錯過體積記錄時間。

l  實驗使用過的豬肝應煮熟與其他相關耗材(如夾鏈袋)等盡速集中處理,避免棄置在實驗室中而發生惡臭。

l  液態氮溫度極低,操作時應穿戴麻布手套以避免凍傷。

n  教學指引

l  本實驗可搭配高中基礎化學(三)的「化學反應速率」或大學普通化學的「化學動力學」課程內容,進行實驗印證。

l   在實驗操作之前,教師可先簡述各相態觸媒的分類、酵素的本質及其催化活性受酸鹼度與溫度等環境因素的影響,再說明實驗操作流程與注意事項(參考臺灣大學化學系普通化學實驗「觸媒與催化效應」實驗簡報:http://goo.gl/HmjPH9),之後讓學生進行分組操作,實驗約可於1小時內完成。

l  教師可隨實驗時間僅安排進行部分實驗,或者讓學生閱讀化學動力學與酵素動力學相關資料,思考其他可能影響酵素活性的因素,設計探究與實作的延伸實驗,例如:測試MnO2用量、KI濃度或用量或者測試其他動植物組織的催化活性的研究。

n  結語

觸媒與催化作用是高中化學、大學普通化學及生物化學的重要課題。其中酵素在生物體中是維持生命的重要推手,由於其所涉及的化學試劑和器材價格不菲,以致學生對觸媒的認識僅限於知識面的理解而缺乏實作的認識。於本實驗,學生使用簡單易取得的生活化物品,如豬肝、洗碗精及消毒用雙氧水等,可回收重複使用的器材進行實驗,反應過程不會產生大量的廢棄物,是一個對環境友善的實驗。學生經由動手做並實際觀察測量,學習測試氧氣的助燃特性,定量比較不同相態觸媒的催化效率,更因生活化的豬肝與豬肝血水的加入,提高學生體驗實作的樂趣,並增強對實驗原理的理解。

n  參考資料

1.        酵素化學實驗,http://juang.bst.ntu.edu.tw/BCbasics/Enzyme12.htm

2.        Chang, R. & Kenneth, K. A., Chemistry; 11th ed., McGraw Hill Co, New York, (2013), pp. 598.

3.        臺灣大學化學系,《普通化學實驗》初版,民國1049月,臺大出版中心:臺北。

n  謝誌

本實驗為臺灣大學化學系的暑期化學營實作實驗而開發,於本系普通化學教學組歷任教師和助教協助下進行編修與改進,而有各項多媒體教材,例如:中文和英文教學簡報和教材的教學資源,可參考臺灣大學化學系的網頁:http://www.ch.ntu.edu.tw/~genchem99/index.htm

n  學生實驗手冊

下載本實驗的學生實驗手冊觸媒對過氧化氫分解反應之影響」。

 

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