氯酸钾二氧化锰实验室制氧法探原

doi:10.3866/PKU.DXHX201910054

摘要/Abstract

摘要：

以氯酸钾为原料、二氧化锰为催化剂混合加热制取氧气是实验室制氧的经典方法之一。关于此法的源起与确立的历史过程，迄今已少有论及。本文通过还原二氧化锰、氯酸钾等在化学史上的原初角色，认为对二氧化锰的早期探究是此方案的先导：二氧化锰曾单独做过制氧原料；后舍勒通过二氧化锰与盐酸反应而得氯气，贝托莱进而发现氯酸钾；氯酸钾最初也独立做过制氧原料，不过温度条件较高；1832年，杜布莱纳首将二氧化锰引入此体系，大为降低反应温度，后又经多位化学家的考察认证，终于确立了这一经典方案。

关键词: 氯酸钾, 二氧化锰, 催化, 实验室制氧, 化学史, 杜布莱纳

Abstract:

Oxygen preparation by potassium chlorate and manganese dioxide is one of the most classical laboratory method. Few study has been made so far on its origination and establishment. Through checking the original roles of potassium chlorate and manganese dioxide, it is found that manganese dioxide was ever first selected as raw material for making oxygen, then led the discovery of chlorine by Scheele and potassium chlorate by Berthollet. Potassium chlorate itself was also ever used for oxygen preparation at a high temperature. In 1832, manganese dioxide was firstly mixed with potassium chlorate for oxygen by Döbereiner and reduces the temperature dramatically. With more following studies, the classic method of oxygen preparation via the two materials was finally established.

Key words: Potassium chlorate, Manganese dioxide, Catalysis, Laboratory method of oxygen preparation, History of chemistry, Döbereiner

MSC2000:

李志良. 氯酸钾二氧化锰实验室制氧法探原[J]. 大学化学, 2020, 35(12): 268-273.

Zhiliang Li. A Study on the Origination of the Laboratory Method of Oxygen Preparation by Potassium Chlorate and Manganese Dioxide[J]. University Chemistry, 2020, 35(12): 268-273.

图/表 1

表1

19世纪中叶之前的制氧简史"

时间	人名	氧气方法	备注
1670年代	John Mayow梅猷(1645–1679)，英国化学家	揭示空气中至少含有两种组分，之一为呼吸必需，可以从硝石得到，命名为“硝石精”(acid of nitri)
1740年代	Stephen Hales黑尔斯(1677–1761)，英国化学家	制得多种“空气”，包括二氧化碳、氧化氮、氧气等，发明了排水法	但并未对所制气体给出正确认识
1772	Carl Scheele舍勒(1742–1786)，瑞典化学家	通过加热硝石、锰矿石等首次得到了氧气，名之为火空气(fire air)；	制氧所用材料包括二氧化锰、硝石、氧化铅、氧化汞、碳酸银等
		二氧化锰与浓硫酸反应制取氧气： MnO₂ + H₂SO₄ —— > MnSO₄ + H₂O + O₂	二氧化锰与盐酸反应制得氯气，为氯酸钾等氯化物的发现奠定基础： MnO₂ + HCl —— > MnCl₂ + H₂O + Cl₂
1774	Joseph Priestley普利斯特里(1733–1804)，英国化学家	以凸透镜加热氧化汞制取了氧气，名之为“去燃素气体”： HgO —— > Hg + O₂
1789	Antoine Lavoisier拉瓦锡(1743–1794)，法国化学家；	以类似Priestley的方法制得氧气，并首先正确揭示燃烧的本质；	以不同金属氧化物制取氧气
	Claude Berthollet贝托莱(1748–1822)，法国化学家	通过氯气与水在光照(或高温)下反应制取氧气： Cl₂ + H₂O —— > HCl + O₂
		发现氯酸钾。并单独加热氯酸钾得到氧气
1811	Joseph Gay-Lussac盖吕萨克(1778–1850)，法国化学家	首次发现BaO₂制氧法。该法与二氧化锰法原理类似。	后经Boussingoult和Brin (1879)改进得到批量制氧工艺，称为Brin’s Process ^[4]
1818	Louis Thenard泰纳尔(1777–1857)，法国化学家	发现过氧化氢并研究：H₂O₂ —— > H₂O + O₂，后来发现也可用二氧化锰作为催化剂	其他过氧化物制氧方案： Na₂O₂ + H₂O —— > NaOH+O₂
1832	Johann D?bereiner杜布莱纳(1780–1849)，德国化学家	第一个以氯酸钾与二氧化锰混合加热，并指出此反应中的催化现象
1841	Eilhard Mitscherlich米切尔利斯(1794–1863)，德国化学家	系统研究了氯酸钾与二氧化锰反应的机理	曾师从催化概念的提出者贝采里乌斯

表1

参考文献 26

1	朱巧颖. 化学教学, 2001, (8), 47.
2	阿瓦利安尼著.锰.中央地质部编译室,译.北京:地质出版社, 1954: 1.
3	Bloxam, C. L.; Bloxam, A. G.; Lewis, S. J. Chemistry, Inorganic and Organic: with Experiments, 11th ed.; J. & A. Churchill: London, UK, 1923; p. 54.
4	Partington, J. R. General and Inorganic Chemistry for University Student; Macmillan and Co., Ltd.: New York, NY, USA, 1946.
5	Moore, F. J.; Hall, W. T. A History of Chemistry; McGraw-Hill Book Company, Inc.: ·New York and London, 1918; pp. 37, 42.
6	Dobereiner J. W. Ann der Phar. 1823, 1, 236.
7	(唐)孙思邈.银海精微2卷.爱默生基本古籍库.
8	Priestley, J. J. The Discovery of Oxygen: Part 1; University of Chicago: Chicago, IL, USA, 1912.
9	Scheele, J. W. The Discovery of Oxygen: Part 2; University of Chicago: Chicago, IL, USA, 1912.
10	Wells, D. A. Wells's Chemistry Principles and Application of Chemistry; Ivison & Phinney: New York, NY, USA, 1858.
11	Thorpe, T. E. History of Chemistry; Kessinger Legacy Reprints: London, UK, 1909; pp. 63, 69.
12	Rosco, H. E. A Treatise on Chemistry. Vol. 1. The Non-Metallic Elements; Macmillan and Co., Ltd.: London, UK, 1920; p. 242.
13	Mcleod H. J. C. S. 1889, 55, 184.
14	Editor. Nature 1949, 163, 434.
15	Partington, J. R. A History of Chemistry, Vol 4; The Macmillan and Co. Ltd.: New York, NY, USA, 1972; p. 179.
16	吴限. 化学教育, 2019, 40 (4), 4.
17	Mitscherlich E. A. Ann. der Phy. 1841, 129, 95. doi: 10.1002/andp.18411290507
18	Baudrimont E. J. C.S. 1871, 24, 1151.
19	Brown F. E. ; Burrows J. A. ; McLaughlin H. M. J. A. C.S. 1923, 45, 1343. doi: 10.1021/ja01659a001
20	Sodeau W. J. C. S. 1901, 79, 247.
21	Fowler G. J. ; Grant J. J. C. S, Trans. 1890, 57, 272. doi: 10.1039/CT8905700272
22	McLaughlin H. M. ; Brown F. E. J. A. C. S. 1928, 50, 782. doi: 10.1021/ja01390a023
23	周健雄. 中级医刊, 1957, (11), 68.
24	冯增媛; 潘云祥; 吴衍荪; 赵景华. 化学通报, 1988, (9), 43.
25	谢钰. 化学教育, 1988, (4), 51.
26	单桂英; 武立君. 化学教育, 1992, (1), 48.

[1]	张雨茹, 徐骏, 李万梅. “美”“白”会谈——黑色素的故事[J]. 大学化学, 2022, 37(9): 2203010-.
[2]	方泉海, 颜静, 牛树航, 蔡宁静, 闫毅. 天生我材“币”有用[J]. 大学化学, 2022, 37(9): 2204053-.
[3]	王燕, 张绮彤, 张彬, 王宇. 神奇的光催化[J]. 大学化学, 2022, 37(9): 2203098-.
[4]	陈邦彦, 程昕雨, 周倜, 孙立森, 刘永梅. 基于¹⁹F核磁的纳米金催化氟代苯甲醇选择性氧化的动力学测试[J]. 大学化学, 2022, 37(7): 2111010-.
[5]	张永民, 樊晔, 刘雪锋, 胡学一, 方云. “两性一度”教学要求下的物理化学综合实验教学探索——以无表面活性剂微乳的构筑及应用为例[J]. 大学化学, 2022, 37(6): 2107111-.
[6]	张东凤, 鹿现永, 刘大鹏, 朱禹洁. 以催化应用为纽带链接基础化学2课程与多学科的交叉融合[J]. 大学化学, 2022, 37(6): 2107033-.
[7]	赵明, 许玉荣, 林静, 陈虎. 氮杂环卡宾催化的Michael加成反应[J]. 大学化学, 2022, 37(6): 2108056-.
[8]	李晓微, 秦来, 邢其鑫, 刘青, 张雷. 国家级一流本科专业建设背景下“科”与“教”协同作用培育高水平创新人才——以BiOI光催化降解甲基橙的实验为例[J]. 大学化学, 2022, 37(6): 2107016-.
[9]	文巍, 李朝星, 叶芳秀, 李静烽, 郭其祥. 不对称催化合成手性α-氨基酮[J]. 大学化学, 2022, 37(5): 2111009-.
[10]	青雯玥, 陈起游, 贾阿龙, 李珊珊, 赵明, 郭彩红. Ce_0.75Zr_0.25O₂的制备及其催化净化汽车尾气[J]. 大学化学, 2022, 37(5): 2111081-.
[11]	李胜, 杨爽, 刘永浩, 赵子卓, 张琦, 黄治炎. 绿色催化氧化合成邻硝基苯甲醛——一个氧化合成教学实验[J]. 大学化学, 2022, 37(5): 2111088-.
[12]	张帝, 夏天, 罗永祥, 王兮. 可见光促进的香豆素类衍生物的绿色仿生催化合成及分光光度法定量分析[J]. 大学化学, 2022, 37(5): 2111090-.
[13]	李玲, 王曼青, 黄瑶, 黄垄臻. 基于师生共建自制慕课的化学史信息化教学初探[J]. 大学化学, 2022, 37(4): 2108078-.
[14]	张杰, 尹泽群, 孙立波, 张岩, 高玥, 徐之婷, 宋薇. 聚苯胺负载纳米金催化剂的制备及其催化性能研究综合实验设计[J]. 大学化学, 2022, 37(3): 2105033-.
[15]	冯向青, 杜海峰. 2021年度诺贝尔化学奖：大道至简[J]. 大学化学, 2022, 37(1): 2112014-.