高中化學(xué)“催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響”的教學(xué)探討

曾玭

摘要：從高中化學(xué)教材中“催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響”的實(shí)驗(yàn)及科學(xué)探究?jī)?nèi)容出發(fā)，結(jié)合作者的教學(xué)體會(huì)，對(duì)本章節(jié)的實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)過程等進(jìn)行探討，分享有關(guān)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并就本知識(shí)點(diǎn)做相應(yīng)的深入與拓展。

關(guān)鍵詞：催化劑；反應(yīng)速率；雙氧水；實(shí)驗(yàn)；教學(xué)

文章編號(hào)：1008-0546（2017）05-0060-03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.05.019

化學(xué)反應(yīng)速率是化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)非常重要的特征參數(shù)，它反映了化學(xué)反應(yīng)過程的快慢，影響因素包括反應(yīng)物本身的內(nèi)在性質(zhì)及濃度、溫度、壓強(qiáng)、攪拌速度、催化劑、光照等外界條件。催化劑由于它的高活性與高效率，可有效提高化學(xué)反應(yīng)速率。我國普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“催化化學(xué)”內(nèi)容做了如下要求：（1）認(rèn)識(shí)催化劑的研制對(duì)促進(jìn)化學(xué)工業(yè)發(fā)展的重大意義；（2）通過實(shí)驗(yàn)探究催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，認(rèn)識(shí)其一般規(guī)律；（3）通過催化劑實(shí)際應(yīng)用的示例，認(rèn)識(shí)其在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究領(lǐng)域的重大作用。高中化學(xué)教材中安排了專門的章節(jié)來講述“催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響”。以筆者所使用的2007年人教版普通高中化學(xué)教材為例，選修4《化學(xué)反應(yīng)原理》第二章 “化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡” 第四節(jié)“催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響”主要是通過“二氧化錳催化雙氧水的分解” 實(shí)驗(yàn)及科學(xué)探究來闡述催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響。下面就本章節(jié)內(nèi)容及教學(xué)體會(huì)做簡(jiǎn)單探討。

一、“二氧化錳催化雙氧水的分解” 實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探討

教材中有關(guān)“二氧化錳催化雙氧水的分解” 實(shí)驗(yàn)過程的描述為“錐形瓶?jī)?nèi)盛有10 mL左右10%的H2O2，雙孔膠塞上插有短導(dǎo)管和漏斗，短導(dǎo)管里插有帶余燼的木條。開始時(shí)余燼沒有明顯變化，經(jīng)漏斗向錐形瓶?jī)?nèi)加入少量MnO2后，錐形瓶中迅速產(chǎn)生大量氣泡，余燼復(fù)燃。”實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

教學(xué)探討：

1、本實(shí)驗(yàn)對(duì)加入的MnO2催化劑用量以“少量”進(jìn)行表述，即定性而非定量。盡管教材未明確本實(shí)驗(yàn)需加入具體多少質(zhì)量的MnO2，但筆者認(rèn)為教師在教學(xué)實(shí)踐尤其是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)中應(yīng)明確告知學(xué)生在加入MnO2時(shí)，須嚴(yán)格遵守“少量”的操作要求（比如1/2小勺或1小勺），因?yàn)樵搶?shí)驗(yàn)背后暗藏了一定的實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)，教材并未對(duì)此做出提示。從圖1可知，該實(shí)驗(yàn)裝置的密封性設(shè)計(jì)較好，主要出氣口為漏斗管口。如果一次性加入大量MnO2，由于H2O2的快速分解產(chǎn)生大量O2，錐形瓶?jī)?nèi)的氣壓將迅速增大，可能造成尚未來得及進(jìn)入錐形瓶而殘留在漏斗中的MnO2粉末向外噴出，危及實(shí)驗(yàn)人員安全，更嚴(yán)重的可能造成錐形瓶炸裂。因此，教師應(yīng)在學(xué)生實(shí)驗(yàn)前，將其中的風(fēng)險(xiǎn)說明清楚，使學(xué)生不致因MnO2未明確具體添加量而過多加入造成實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)。另一方面，也可以向?qū)W生表明，MnO2對(duì)H2O2的分解具有良好的催化效果，無需加入過多。

2、MnO2催化H2O2分解的原因解釋。本實(shí)驗(yàn)通過不加MnO2分解H2O2與加MnO2分解H2O2的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解到MnO2能夠作為H2O2分解的催化劑，起到加快反應(yīng)速率的作用。在“MnO2為什么能夠催化H2O2分解”的原因解釋時(shí)，教材是這樣描述的：“催化劑能加快反應(yīng)速率，是因?yàn)樗芨淖兎磻?yīng)的路徑，使發(fā)生反應(yīng)所需的活化能降低。如圖2所示，圖中實(shí)線和虛線分別表示無催化劑和有催化劑的反應(yīng)過程中，反應(yīng)物和生成物的能量與活化能的關(guān)系。顯然，有催化劑時(shí)反應(yīng)的活化能E2比無催化劑時(shí)反應(yīng)的活化能E1降低了很多，這樣一來，就使反應(yīng)體系中含有的活化分子百分?jǐn)?shù)提高，從而使有效碰撞的幾率提高，反應(yīng)速率增大”。教材通過“活化能”的概念對(duì)催化劑的作用進(jìn)行了闡述，在教學(xué)實(shí)踐中，很多學(xué)生反映“活化能”的概念比較抽象，難以理解為何活化能降低了，反應(yīng)速率就會(huì)加快。為此，筆者將有催化與無催化的反應(yīng)過程與爬山進(jìn)行類比，降低了理解難度，學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解消化也更輕松。如圖2所示，筆者將H2O2的分解反應(yīng)過程比作爬山，起點(diǎn)與終點(diǎn)都相同，區(qū)別僅在于爬山的路線不同?；罨艽砩狡碌暮０胃叨?，無催化反應(yīng)的活化能E1大于有催化反應(yīng)的活化能E2，即經(jīng)“無催化路線（圖2中實(shí)線）”爬山的爬坡高度要大于“有催化路線（圖2中虛線）”爬山的爬坡高度。日常生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，爬矮山的難度顯然比爬高山的難度小很多，所需時(shí)間也更短。這樣一來，學(xué)生就非常容易地理解了有催化劑時(shí)的反應(yīng)比無催化劑時(shí)的反應(yīng)更快，即催化劑可以改變反應(yīng)路徑，加快反應(yīng)速率。

二、 科學(xué)探究案例分析與教學(xué)探討

教材在本章節(jié)共選取了三個(gè)科學(xué)探究案例來進(jìn)一步探究催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，分別是：（1） 利用氯化鐵和硫酸銅溶液催化過氧化氫分解反應(yīng)；（2）利用硫酸錳催化高錳酸鉀與草酸溶液反應(yīng)；（3）利用硫酸溶液和唾液催化淀粉與碘水反應(yīng)。

案例1：在兩支試管中分別加入2mL 5% H2O2溶液，再向H2O2溶液中分別滴入0.1mol/L FeCl3和

CuSO4溶液各1mL，搖勻，比較H2O2的分解速率。

案例2：在兩支試管中各加入4mL 0.01mol/L KMnO4酸性溶液和2mL 0.1mol/L H2C2O4溶液；再向其中一只試管中加入一粒黃豆大的MnSO4固體。搖勻，記錄溶液褪色所需時(shí)間。

案例3：取兩支試管，各加入5mL淀粉溶液和2滴碘水，然后向其中一支試管中加入1mL 2mol/L的H2SO4溶液（必要時(shí)可加熱①）；向另一支試管中加入1mL唾液，振蕩。觀察、比較硫酸溶液、唾液對(duì)淀粉水解的催化效果。（①加熱時(shí)顏色變淺，冷卻后會(huì)恢復(fù)原來的顏色）

通過以上三組科學(xué)探究案例，學(xué)生可在“MnO2催化H2O2的分解”實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步加深對(duì)催化劑的理解，尤其是對(duì)“催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響”的理解與掌握。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)上述科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)尚不能十分嚴(yán)謹(jǐn)、全面地闡述相關(guān)問題，存在一定的改進(jìn)空間。在科學(xué)探究案例1中，原方案通過分別添加FeCl3與CuSO4的兩組對(duì)照實(shí)驗(yàn)來說明“同一個(gè)反應(yīng)可以有多種催化劑，但是不同催化劑對(duì)同一化學(xué)反應(yīng)的催化效果不同”。建議在該方案中增加一個(gè)不添加催化劑的對(duì)照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的效果及說服力可能會(huì)更好。即增加一支試管，往其中加入2 mL 5% H2O2溶液，但不再添加任何催化劑。通過3支試管的平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以更直觀、更清晰地同時(shí)觀察到不加催化劑、添加CuSO4與添加FeCl3的3支試管冒氣泡的速率依次更快，且添加CuSO4與FeCl3的試管冒氣泡速率明顯比未添加的試管快很多。這樣一來就可以更容易得到“FeCl3與CuSO4都可以作為H2O2分解的催化劑，且FeCl3的催化效果優(yōu)于CuSO4”的結(jié)論，即“催化劑可以明顯加速化學(xué)反應(yīng)速率，同一反應(yīng)可以由不同催化劑進(jìn)行催化，但它們的催化效果不同，也就是說催化劑具有選擇性”。

科學(xué)探究案例2主要說明了“Mn2+對(duì)KMnO4的氧化作用具有催化功能”。為了加深學(xué)生對(duì)催化知識(shí)的掌握并作相應(yīng)拓展，在教學(xué)實(shí)踐中，筆者將該案例與“MnO2催化H2O2的分解”實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來向?qū)W生進(jìn)行講解，并設(shè)計(jì)了兩組對(duì)照實(shí)驗(yàn)：（1）向10mL左右10%的H2O2溶液的錐形瓶中加入少量MnSO4（實(shí)驗(yàn)裝置與圖1相同）；（2） 向裝有4mL 0.01mol/L KMnO4酸性溶液和2mL 0.1mol/L H2C2O4溶液的試管中加入少量MnO2粉末。通過實(shí)驗(yàn)觀察可發(fā)現(xiàn)：（1）加入MnSO4的H2O2溶液并無顯著的氣泡產(chǎn)生，余燼也未復(fù)燃；（2） 加入MnO2的試管溶液顏色并未快速褪去。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MnO2在H2O2的分解中能起到加速分解反應(yīng)的催化作用，但MnSO4卻不起顯著催化H2O2分解的作用；MnSO4可以催化KMnO4與H2C2O4的反應(yīng)，MnO2卻不可以，說明本反應(yīng)中起催化作用的是Mn2+（MnSO4易溶于水，MnO2不溶于水）。通過上述補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)及結(jié)果的觀察，向?qū)W生闡述“雖然MnSO4與MnO2都是錳的化合物，但在反應(yīng)中起催化作用的有效成分不同，未必都能對(duì)同一反應(yīng)起到催化作用”。

對(duì)于案例3，筆者在教學(xué)實(shí)踐中主要從兩個(gè)方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)與引導(dǎo)，一是將教材中的備注內(nèi)容解釋清楚；二是從生物催化劑與無機(jī)催化劑的對(duì)比角度進(jìn)行講解。教材在案例3中有“必要時(shí)可以加熱，加熱時(shí)顏色變淺，冷卻后恢復(fù)原來的顏色”的備注。教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考該備注背后的原因，即為何加熱時(shí)顏色變淺，冷卻后恢復(fù)原來的顏色？在學(xué)生思考討論完后，再對(duì)該現(xiàn)象加以解釋：在淀粉溶液中滴加碘水，溶液顯藍(lán)色，這是淀粉與碘通過包合作用形成的螺旋狀包合物所致。對(duì)該藍(lán)色溶液加熱，由于溫度的上升導(dǎo)致I2在水溶液中的可逆歧化反應(yīng)（I2 + H2O H+ + I- + HIO）平衡右移，I2濃度快速降低，當(dāng)I2濃度低于最低顯色濃度時(shí)，就表現(xiàn)為溶液的藍(lán)色快速褪去；當(dāng)褪色后的溶液冷卻時(shí)，由于溫度下降導(dǎo)致I2在水溶液中的歧化反應(yīng)平衡左移，I2濃度不斷增大，當(dāng)I2濃度高于最低顯色濃度時(shí)，溶液重現(xiàn)藍(lán)色。此外，在該案例實(shí)驗(yàn)中，通過實(shí)驗(yàn)可以觀察到唾液對(duì)淀粉水解的催化效果比H2SO4好，表明唾液中含有淀粉水解的催化劑——淀粉酶。淀粉酶屬于生物催化劑，與無機(jī)催化劑相比具有更高效的催化活性，同時(shí)也具有很高的選擇性。通過生物催化劑概念的引入，可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)生命過程的認(rèn)知。簡(jiǎn)而言之，在科學(xué)探究3個(gè)案例的教學(xué)實(shí)踐中，筆者對(duì)教材內(nèi)容加以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充、拓展，使學(xué)生更加清晰、全面地理解、掌握有關(guān)“催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響”的知識(shí)點(diǎn)，即：催化劑能加快反應(yīng)速率，但不同催化劑的催化效果不同，選用適當(dāng)?shù)拇呋瘎┦歉淖兓瘜W(xué)反應(yīng)速率的有效方法之一。

三、 催化劑知識(shí)點(diǎn)的習(xí)題鞏固與教學(xué)探討

為鞏固本章節(jié)有關(guān)催化劑的知識(shí)點(diǎn)，教材在本章節(jié)后設(shè)計(jì)了一道有關(guān)催化劑的習(xí)題：NO和CO都是汽車尾氣中的有害物質(zhì)，它們能緩慢地起反應(yīng)，反應(yīng)化學(xué)方程式為2CO + 2NO N2 + 2CO2，為了控制大氣污染，提出下列建議：A. 使用催化劑；B. 改變壓強(qiáng)；C.提高反應(yīng)溫度。認(rèn)為可行的方法是 ，理由是 。

筆者在教學(xué)實(shí)踐中讓學(xué)生獨(dú)立完成該習(xí)題，從學(xué)生的回答中可以了解學(xué)生對(duì)催化劑知識(shí)點(diǎn)的掌握程度，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)一步加以拓展。汽車尾氣處理問題不僅是一個(gè)科學(xué)技術(shù)問題，也是一個(gè)關(guān)注度很高的社會(huì)問題。筆者在課堂上結(jié)合德國大眾汽車的“排放門”事件的新聞報(bào)道（2015年9月，德國大眾汽車公司被曝出汽車尾氣檢測(cè)造假丑聞，部分柴油車存在使用操控軟件躲避尾氣檢測(cè)的情況。軟件可以識(shí)別汽車是否處于被檢測(cè)狀態(tài)，繼而在車檢時(shí)秘密啟動(dòng)，調(diào)控所排放的尾氣。這樣一來，它們?cè)谲嚈z時(shí)能以“高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)”過關(guān)，而在平時(shí)行駛時(shí)卻超標(biāo)排放污染物），綜合講解汽車尾氣處理中的催化問題。采用情景教學(xué)法從新聞報(bào)道的角度切入話題，向?qū)W生闡明汽車尾氣排放的處理的重要性及技術(shù)難度（否則大眾汽車公司也不會(huì)冒高風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行造假）。汽車尾氣處理目前最有效的方法是利用催化劑加速CO、NO等有害氣體的反應(yīng)與去除，其中的機(jī)理比較復(fù)雜。一般認(rèn)為，CO的去除主要基于以下機(jī)理：CO + ？鄢 → CO？鄢；O2 +2？鄢 → 2O？鄢；CO？鄢 + O？鄢 → CO2+ 2？鄢（？鄢代表催化劑的活性中心）。催化凈化NO的機(jī)理是：吸附在催化劑上的NO分解出一個(gè)氮原子和氧原子，氮原子或彼此結(jié)合形成N2，或與另一個(gè)吸附的NO結(jié)合形成N2O，氧原子留在催化劑表面，與吸附的CO反應(yīng)生成CO2。用催化的方法凈化尾氣是直接將尾氣轉(zhuǎn)化為無害物，既避免吸收、吸附等凈化方法可能產(chǎn)生的二次污染，又使操作過程得到簡(jiǎn)化，因而日益受到重視。遺憾的是，目前的催化劑并不能完全將尾氣處理干凈，尚需要大量研究工作去開發(fā)新型高效的尾氣處理催化劑。這樣的教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生對(duì)催化知識(shí)點(diǎn)的強(qiáng)烈學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生在課外進(jìn)一步深入了解催化劑與催化化學(xué)的知識(shí)。

四、結(jié)論

本文在“催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響”這一章節(jié)的教材內(nèi)容及其教學(xué)目標(biāo)等基礎(chǔ)上，結(jié)合個(gè)人教學(xué)實(shí)踐，對(duì)本知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了比較深入細(xì)致的分析、拓展與探討。鑒于催化反應(yīng)的抽象性，對(duì)于催化劑作用的本質(zhì)機(jī)理往往很難用直觀的化學(xué)方程式表達(dá)出來。因此，筆者認(rèn)為在實(shí)際教學(xué)過程中，教師對(duì)于催化劑知識(shí)的講解應(yīng)盡量結(jié)合實(shí)驗(yàn)來開展，在教材的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上可以進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充與拓展，使有關(guān)實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)論更加科學(xué)合理。同時(shí)，在催化劑的應(yīng)用案例方面，應(yīng)更加貼近時(shí)代和生活，讓學(xué)生體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)到化學(xué)科學(xué)對(duì)人類生活的真實(shí)影響以及化學(xué)知識(shí)的實(shí)用性。此外，還應(yīng)注重從學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的角度出發(fā)，創(chuàng)設(shè)更多真實(shí)情境或生活實(shí)例來呈現(xiàn)催化劑或催化反應(yīng)的內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)知識(shí)的認(rèn)識(shí)從感性逐漸上升到理性。

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