基于教材解讀與真實情境模擬的催化劑教學(xué)實踐

摘 要：在教學(xué)中創(chuàng)設(shè)有效情境是調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的最好動力，這樣能夠激發(fā)學(xué)生的好奇心和靈感。各種高效、經(jīng)濟、選擇性強的催化劑的研制是重大課題，高中化學(xué)教學(xué)也要重視催化劑的研究。教師應(yīng)對教材文本中催化劑的表述進行深刻解讀，并以真實情境下催化反應(yīng)的工業(yè)或?qū)嶒災(zāi)M圖輔助教學(xué)，幫助學(xué)生建構(gòu)催化劑認(rèn)知模型，使其能夠建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架。對此，文章闡述了催化劑的相關(guān)研究、催化劑教學(xué)的現(xiàn)狀以及相關(guān)教材解讀，并列舉了模擬真實情境的催化劑教學(xué)實踐，以供參考。

關(guān)鍵詞：催化劑；教材文本；真實情境；教學(xué)啟示；思維框架

作者簡介：劉現(xiàn)林（1976—），男，浙江省杭州第十四中學(xué)。

催化劑是化學(xué)研究中永恒的主題。催化劑在生產(chǎn)和生活中有廣泛的應(yīng)用，有關(guān)催化劑的教學(xué)也需要與時俱進。高中生已從定性思維進入定量思維階段，可以對催化劑進行較為嚴(yán)格、真實的學(xué)習(xí)［1］。

一、催化劑相關(guān)研究

文獻中與“催化劑”匹配的大多是新型、高效催化劑的研究進展，基于高中學(xué)生認(rèn)知水平且與教材文本相關(guān)的催化劑反應(yīng)機理和選擇應(yīng)用有關(guān)的文章較少［2］。新課程改革以來，模擬化工生產(chǎn)真實情境的催化劑應(yīng)用評價主要從自發(fā)反應(yīng)、反應(yīng)歷程、活化能、反應(yīng)速率、平衡移動、催化劑選擇等角度入手［3］。

二、催化劑教學(xué)現(xiàn)狀及相關(guān)教材解讀

學(xué)生通過《化學(xué)反應(yīng)原理》的學(xué)習(xí)可了解到，催化劑之所以能夠促使反應(yīng)的速率加快，最主要的原因是其能夠降低化學(xué)反應(yīng)的活化能。催化劑的催化效果受環(huán)境的影響比較大，比如溫度、pH、比表面積等，但催化劑不改變化學(xué)平衡轉(zhuǎn)化率。當(dāng)前，與催化劑相關(guān)的教學(xué)僅僅停留在簡單動手做實驗、表層理解的階段，導(dǎo)致學(xué)生尚未能夠依據(jù)催化反應(yīng)及其變化的信息建構(gòu)模型，建立解決復(fù)雜化學(xué)問題的思維框架，也沒有從催化劑知識學(xué)習(xí)的初級思維上升到高階思維。這就需要教師對教材文本中催化劑的表述作深刻解讀與研究。

（一）新課標(biāo)對催化劑的教學(xué)要求

（二）催化反應(yīng)的兩種理論解釋

碰撞理論和過渡態(tài)理論是用于解釋催化作用的兩個理論。碰撞理論指出，唯有活化分子之間的碰撞才有可能引起反應(yīng)，又稱有效碰撞理論。

Eyring和Pzer基于碰撞理論提出過渡態(tài)理論，指出化學(xué)反應(yīng)并不是通過簡單的碰撞就能完成的，反應(yīng)物到生成物的過程中必須經(jīng)過一個高能量的過渡態(tài)?；鶓B(tài)是分子比較穩(wěn)定的初始狀態(tài)；過渡態(tài)是分子極其不穩(wěn)定的狀態(tài)，分子在此狀態(tài)極易重新組合形成新物質(zhì)?；罨苤傅氖菍?mol反應(yīng)物中的所有分子由基態(tài)轉(zhuǎn)化為過渡態(tài)所需要的能量，而降低化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中的活化能就是催化劑所具備的重要作用。

吸熱反應(yīng)的正反應(yīng)和逆反應(yīng)的活化能都會受到催化劑的影響。放熱反應(yīng)的活化能會受到催化劑的影響。實驗證明，催化劑與反應(yīng)歷程、活化能的關(guān)系都可以歸結(jié)到催化劑能有效降低活化能，提高活化分子百分?jǐn)?shù)，增大有效碰撞的頻率。顯然，催化反應(yīng)正是碰撞理論和過渡態(tài)理論的綜合體現(xiàn)。

三、模擬真實情境的催化劑教學(xué)實踐

情境模擬具有以下四個特點：第一，實踐性。情境模擬與傳統(tǒng)的教學(xué)模式不同，其是利用情境仿真出復(fù)雜的情況，然后引導(dǎo)學(xué)生利用知識解決問題，從而實現(xiàn)從實踐到理論再回歸實踐的要求。第二，綜合性。情境模擬通過設(shè)置，使情境具有一定的開放性和包容性，學(xué)生可以將學(xué)到的東西運用到具體的問題情境中，利用聯(lián)系、發(fā)展的眼光來看待并分析問題。第三，參與性。真正將學(xué)生作為課堂的主體，教師起到組織和引導(dǎo)的作用，鍛煉學(xué)生的觀察能力、分析能力與交流能力，這與單向的講解完全不同。第四，實效性。情境模擬的方式更加形象直觀，便于學(xué)生理解，有助于學(xué)生解決一些比較抽象、難以理解的問題。

科學(xué)理解可以分為描述性理解、定性式理解、定量式理解、符號式理解等若干階段，化學(xué)課程的設(shè)計者需要據(jù)此作通盤考慮［4］。

首先，在對催化劑的相關(guān)內(nèi)容進行教學(xué)設(shè)計時，教師需要選取一些能夠?qū)W(xué)生思維形成挑戰(zhàn)而且具有化學(xué)反應(yīng)應(yīng)用價值的素材。其次，在開展模擬工業(yè)真實情境的教學(xué)活動中，教師要注重發(fā)展學(xué)生的演繹推理、系統(tǒng)假設(shè)等思維能力。最后，教師帶領(lǐng)學(xué)生開展相關(guān)的研究活動時，要注重培養(yǎng)學(xué)生分析圖像和解釋實驗現(xiàn)象的能力，并結(jié)合一些具體的生產(chǎn)實例，引導(dǎo)學(xué)生對反應(yīng)條件的選擇以及優(yōu)化進行合作討論，進而幫助學(xué)生形成從各個角度調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的基本思路，促使學(xué)生在化學(xué)學(xué)習(xí)的過程中形成“綠色化學(xué)”的觀念，并能運用辯證的思維看待問題。下面，筆者從三例模擬工業(yè)真實情境的圖像和數(shù)據(jù)解讀催化劑教學(xué)。

（一）催化劑與轉(zhuǎn)化率（或產(chǎn)率）的關(guān)系

［例1］已知反應(yīng)：NH4Cl（s）+CH3OH（g）NH3（g）+CH3Cl（g）+H2O（g）。圖1是在反應(yīng)的過程中運用了幾種不同的催化劑而得到的關(guān)系圖，在實驗的過程中反應(yīng)時間以及催化劑的用量等條件都相同，且n（甲醇）/n（氯化銨）=1/2。

［問題1］圖1表明：當(dāng)其他條件相同時，多孔球型γ-Al2O3催化活性明顯高于分子篩催化劑，試解釋其原因。

［參考答案1］當(dāng)其他條件相同時，多孔球型γ-Al2O3能更大程度地降低該反應(yīng)的活化能，增大單位體積內(nèi)活化分子百分?jǐn)?shù)，從而提高CH3Cl生成速率。

［變式1］請在圖2中分別畫出無催化劑、分子篩催化劑、多孔球型γ-Al2O3三種情況下“反應(yīng)過程—能量”示意圖。與標(biāo)準(zhǔn)答案對照，學(xué)生答案中有催化劑參與的反應(yīng)普遍只有一個峰。顯然，學(xué)生對催化反應(yīng)并不理解。普通的一級反應(yīng)一般只有一個峰。但有催化劑參與的反應(yīng)是先與反應(yīng)物形成一個不穩(wěn)定的中間物，此反應(yīng)在能量進程圖中顯示一個峰，不穩(wěn)定的中間物分解或繼續(xù)與反應(yīng)物作用形成生成物與等量性質(zhì)不變的催化劑，圖中出現(xiàn)第二個峰。

［問題2］分析圖3中a、b、c三條曲線中的點，思考哪些可能是CH3Cl的平衡產(chǎn)率，哪些不是CH3Cl的平衡產(chǎn)率。

［參考答案2］催化劑不能改變平衡轉(zhuǎn)化率（或產(chǎn)率）。但在平衡前，加入催化效率高的催化劑，相同時間內(nèi)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率更高，所以工業(yè)上往往尋找高效催化劑。產(chǎn)率高者更可能達到平衡，因此c曲線可能為平衡產(chǎn)率，a、b曲線肯定不是平衡產(chǎn)率。

［變式2］當(dāng)其他條件都相同，溫度為370℃且使用三種不同類型的催化劑時，請在圖3當(dāng)中繪制出CH3Cl的產(chǎn)率隨時間變化而發(fā)生變化的曲線，分別運用a、b、c對相應(yīng)的曲線進行標(biāo)注。學(xué)生答案與標(biāo)準(zhǔn)答案基本一致。顯然，學(xué)生對于催化劑的表觀作用掌握到位。

教師在課堂教學(xué)中通過實例層層遞進，引導(dǎo)學(xué)生對預(yù)測、方案、結(jié)論進行完整論證，才能培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)思維能力，并幫助學(xué)生建立系統(tǒng)思維框架，提高學(xué)生分析、解決問題的能力，學(xué)生才能輕松作答變式1和變式2。

［例2］已知反應(yīng)：NO（g）+NO2（g）+2NH2（g）2N2（g）+3H2O（g）ΔH＜0。如果采用的還原劑為NH3，煙氣以一定的速率通過兩種不同的催化劑時，對產(chǎn)生氣體當(dāng)中的氮氧化物含量進行測量，最終得到煙氣脫氮率，結(jié)果如圖4所示：

［問題1］由圖4可知，在催化劑①的作用下，煙氣脫氮率先增大后減小，請指出100～250℃脫氮率增大的可能原因。

［參考答案1］100～250℃脫氮率增大可以用兩種理論解釋。a.碰撞理論——溫度升高，單位體積內(nèi)活化分子百分?jǐn)?shù)增加，反應(yīng)速率增大；b.過渡態(tài)理論——催化劑活性隨溫度升高而增大，從而加快速率。而速率的加快使相同時間內(nèi)的脫氮率增大。

［問題2］在圖4交叉點A處，使用催化劑①或②，上述反應(yīng)? ? ? （肯定/可能/肯定沒有）達到平衡，并說明理由。

［參考答案2］肯定沒有達到平衡。若A點是平衡點，則溫度升高，平衡逆向移動，脫氮率下降，這與催化劑②所呈現(xiàn)的圖像相矛盾。

［問題3］在圖4催化劑①的作用下，請指出250～400℃脫氮率下降的可能原因。

［參考答案3］反應(yīng)尚未達到平衡，催化劑活性下降造成脫氮率下降。

［問題4］由圖4可知，在催化劑②的作用下，煙氣脫氮率先增大后減小，請指出450～500℃脫氮率下降的可能原因。

［參考答案4］a.反應(yīng)已達平衡，溫度升高，平衡逆向移動；b.溫度升高，催化劑活性下降。

［變式3］請在圖5中繪制出平衡脫氮率隨溫度變化的可能曲線圖。學(xué)生的答案中只給出C點之前已經(jīng)達到平衡的曲線，但未畫出存在平衡點更高的曲線。顯然，學(xué)生沒能完全領(lǐng)會圖5中最高點的含義。

教師在課堂實例中要有意識地說明建構(gòu)思維模型的重要作用，只有這樣，學(xué)生才能夠更好地把握模型建立與論證證據(jù)之間的關(guān)系，才能更完整地回答變式3。

（二）催化劑與反應(yīng)選擇性之間存在的關(guān)系

［例3］當(dāng)存在Cu/ZnO催化劑時，CO2和H2之間可以發(fā)生兩個不同的反應(yīng)，相對應(yīng)地，會形成CH3OH和CO兩種產(chǎn)物。具體會發(fā)生如下反應(yīng)：

［問題］根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在溫度相同的情況下，種類不同的催化劑往往會對CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH反應(yīng)的選擇性產(chǎn)生非常大的影響，試分析其中的原因。

［教師過渡］a.有很多的化學(xué)反應(yīng)往往不止產(chǎn)生一種產(chǎn)物，但是通過對催化劑的控制可以實現(xiàn)對反應(yīng)方向的控制。因此，在工業(yè)生產(chǎn)時要優(yōu)先考慮對目標(biāo)產(chǎn)物選擇性高的催化劑。選擇性是指所消耗的原料中轉(zhuǎn)化成目的產(chǎn)物的百分率，即選擇性=轉(zhuǎn)化成目標(biāo)產(chǎn)物的指定反應(yīng)物的量/已轉(zhuǎn)化的指定反應(yīng)物的量×100%。b.化學(xué)平衡是由熱力學(xué)決定的，ΔGθ=-RT㏑Kp，其中Kp為反應(yīng)的平衡常數(shù)，ΔGθ是狀態(tài)函數(shù)，表示產(chǎn)物與反應(yīng)物的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能之差，只決定于過程的始終態(tài)，而與過程無關(guān)。催化劑的存在不影響ΔGθ值，它只能縮短到達平衡所需的時間，而不能移動平衡點。

［參考答案］這時并沒有達到反應(yīng)的平衡點，采用不同的催化劑往往會對反應(yīng)Ⅰ產(chǎn)生不同的催化能力，在這一刻，對甲醇的選擇性會受到影響?？梢?，反應(yīng)未達平衡，催化劑才能體現(xiàn)選擇性。

催化劑與轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)選擇性的關(guān)系，催化劑的效率與反應(yīng)條件的關(guān)系等教學(xué)的開展依托真實情境的工業(yè)或?qū)嶒災(zāi)M圖，教師的啟發(fā)與過渡可幫助學(xué)生搭建解決催化劑相關(guān)問題的思維模型和框架，使學(xué)生的學(xué)習(xí)有事半功倍的效果。調(diào)查顯示，學(xué)生對此節(jié)課內(nèi)容的掌握程度達到90%以上。

“催化劑教學(xué)”是將學(xué)習(xí)化學(xué)知識和技能的過程轉(zhuǎn)變?yōu)槁?lián)系社會生產(chǎn)、生活實際進行科學(xué)研究并形成科學(xué)素養(yǎng)的典型代表。情境模擬為教學(xué)提供了很大的便利，它是理論聯(lián)系實際的橋梁，開辟了一條從課堂走向社會的道路，還能調(diào)動學(xué)生的積極性，讓他們從被動學(xué)變?yōu)橹鲃訉W(xué)，提高了學(xué)生的實踐能力和認(rèn)知能力，在實際生活中應(yīng)用也十分廣泛，能夠科學(xué)分析問題，使學(xué)生愿意主動去學(xué)習(xí)。通過教師的積極引導(dǎo)，這樣的教學(xué)會有事半功倍的效果，對學(xué)生以后的工作和學(xué)習(xí)都有幫助，能為他們步入社會打下基礎(chǔ)。

［參考文獻］

張映明.化學(xué)教材中與催化劑有關(guān)的幾個問題［J］.化學(xué)教育，2013，34（2）：10-13.

吳晗清，李豆豆.“催化劑”認(rèn)知困境與教學(xué)對策［J］.化學(xué)教學(xué)，2018（3）：87-91.

尹滄浪.基于真實情境下催化劑考查形式的多維分析［J］.中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（10）：65-66.

鐘啟泉，崔允漷，張華.《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》解讀［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，2001.