“多角度認識催化劑”高三復習教學

邱磊 武衍杰

摘要“催化劑”概念蘊含著培養學生“宏觀辨識與微觀探析、證據推理與模型認知”等學科核心素養的價值，既是高中化學教學的重點，又是高考的熱點。基于學生對“催化劑”概念的理解現狀及教學研究現狀，開展“多角度認識催化劑”高三一輪復習教學。設置了“基于物質變化辨識催化劑”、“基于能量變化理解催化劑”、“基于途徑變化探析催化劑”等三個遞進性任務，并跟進基于問題解決的遠遷移評價活動，在促進“教、學、評一體化”的同時構建催化劑多角度認識模型。

關鍵詞催化劑；認識角度；物質變化；能量變化；途徑變化；高三復習

1問題提出

1.1多角度認識催化劑既是新課標要求又是高考熱點

催化劑及催化反應的研究在工業生產中具有重要意義。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）對“催化劑”的內容要求包括：（1）通過實驗探究，了解催化劑對化學反應速率的影響；（2）知道化學反應是有歷程的，認識基元反應活化能對化學反應速率的影響；（3）知道催化劑可以改變反應歷程，對調控化學反應速率具有重要意義。學業要求為：能運用催化劑對化學反應速率的影響規律解釋生產、生活、實驗室中的實際問題，能討論化學反應條件的選擇和優化^[1]。通過對近五年高考試題的統計分析（表1）發現催化劑內容的考查角度與新課標基本契合：（1）催化劑基本性質及特點；（2）催化劑與活化能的聯系；（3）催化劑參與下的反應機理分析等。可見多角度認識催化劑既是新課標要求又是高考熱點。

1.2學生對催化劑概念缺乏結構化理解

相比于初中段“催化劑在反應前后質量、性質不變”的淺顯認識，高中段認識要求明顯提高。但通過訪談發現，學生對催化劑的理解還存在“淺表化、散點式”的問題。如學生提到“催化劑的內容感覺簡單，但是跟能量、圖像、轉化率牽扯在一起，就不知道怎么辦了”、“催化劑從初中就開始學習，熟悉又陌生，題目總是千奇百怪”。造成上述問題的重要原因在于高中階段催化劑內容分散，高三復習階段，往往又就題論題，不利于學生形成關聯性認知。要達成學生對催化劑概念的結構化理解，高三一輪復習教學中必須有意識整合催化劑相關內容，從不同角度重新建構對催化劑的系統認識。

1.3催化劑教學研究現狀分析

通過文獻檢索，有關催化劑的研究主要包括基于催化劑的實驗探究和改進及特定角度下認識催化劑的教學設計等。如實驗探究和改進方面：有研究者基于特定反應選擇不同種類的催化劑進行實驗效果的比較與分析^[2-4]；也有研究者嘗試采用新型催化劑改進傳統實驗中催化效果不佳的問題^[5-6]。再如教學設計研究方面：通過安排教學實驗，優化教學環節，開展催化劑對化學反應速率影響的教學^[7-8]；在探查學生對催化劑已有認知基礎上的改進教學^[9]；從微觀視角豐富對催化劑認識的教學^[10-11]。可見針對催化劑的教學研究雖然主題豐富但認識視角單一，特別是在高三一輪復習中多角度建構催化劑認識模型的的文獻幾乎沒有。

2 催化劑多角度認識模型

IUPAC（國際純粹與應用化學聯合會）對于催化劑的定義：催化劑是能夠加快化學反應速率但不改變標準吉布斯自由能的物質，催化劑既是反應的反應物也是產物^[12]。可見催化劑“參與化學反應、改變反應途徑、降低反應的活化能、加快化學反應速率”^[13]。嘗試從物質變化、能量變化、途徑變化等角度建構催化劑多角度認識模型。

2.1 物質變化視角

如何理解“催化劑既是反應物也是產物”？對于反應A+B→ AB，K為該反應催化劑，反應過程可假設為A+K→AK、AK+B→ AB+K^[14] 。K作為反應物參與了第一步反應，隨后又經過第二步反應生成，既是反應物又是生成物。除少數自催化現象外，大部分催化劑都是外加的，外加物質隨著反應消耗又生成，這樣的物質就是催化劑。因此基于催化劑在反應中經歷“催化劑-中間體-催化劑”的轉變過程，可辨識化學反應的催化劑。

2.2能量變化視角

化學反應的發生需要分子間有效碰撞，而能夠發生有效碰撞的分子必須具有足夠的能量，稱作活化分子。活化分子具有的平均能量與反應物分子具有的平均能量之差叫做活化能。催化劑能夠降低反應的活化能，使更多的反應物分子變成過渡態分子，加快反應速率。借助阿倫尼烏斯公式可知活化能的降低對反應速率的提升是指數性增長。從能量視角理解化學反應歷程即“反應物--過渡態--生成物”，表明對催化劑的認識已從宏觀層面上升到微觀層面。

2.3途徑變化視角

催化劑能降低反應的活化能是因為改變了反應途徑，至于具體改變的途徑如何，對大部分催化反應來說，了解得還很有限^[14]。但對多相催化來說，其反應途徑一般經歷“擴散-吸附-表面反應-脫附”等階段。如圖1的工業合成氨歷程為：（1）N₂和H₂吸附至固體催化劑的表面形成吸附化學鍵；（2）在吸附化學鍵影響下，N₂和H₂斷鍵，在催化劑表面逐步形成N-H鍵，合成NH₃；（3）NH₃脫離表面活性中心。^[15]在多相催化中，催化劑的關鍵在于對反應物分子化學鍵的影響（如催化合成氨過程中，因吸附化學鍵的影響，降低了分子斷鍵的活化能），從鍵的斷裂和形成角度認識催化劑實質上就將對化學反應的認識從“總包反應”拓展到“基元反應”，因此從途徑變化角度探析催化劑賦予了學生從基元反應視角對化學反應進行更精準的調控和優化的能力。

“辨識催化劑—理解催化劑—探析催化劑”反映了對化學反應從宏觀到微觀認識水平的提升。其中能量變化視角引入了“活化能”概念，建立了能量與化學反應速率的關聯，是對物質變化視角下催化劑作用的微觀解釋，途徑變化視角對催化劑的認識上升到微觀機理層面，賦予學生調控化學反應的基元反應視角。三個角度，互相關聯，逐級遞進，其關系如圖2。

3教學目標

（1）通過分析H₂O₂催化分解過程中Fe³⁺的作用，從物質變化的角度形成辨識催化劑的方法，并通過“CO₂轉化為炭黑”、“處理氮氧化物”等反應過程進行遷移應用；

（2）通過I^-催化H₂O₂分解“能量-反應過程”示意圖，能基于能量視角解釋催化劑加快反應速率的原因；通過符號表征與曲線表征之間的轉化，培養對不同表征形式的理解和轉化能力；

（3）通過工業合成氨過程中催化機理分析，提升從化學平衡（宏觀）及化學反應機理（微觀）角度對催化劑的認知，建構基于“物質變化-能量變化-途徑變化”認識催化劑的認知模型；

（4）在課堂推進中感悟催化劑的作用，體會化學科學對工業發展的價值。

4教學流程

基于不同角度下催化劑認識模型，設置圖3所示的遞進性任務，借助多個真實情境串聯教學環節，開展“找”催化劑、“畫”示意圖、“讀”拓展材料等多類活動，并設置即時評價任務，促進“教、學、評”一體化，形成對催化劑的系統認識。

5教學實施

5.1 基于物質變化辨識催化劑

【主題情境5.1.1】Fe³⁺催化H₂O₂分解涉及的反應包括總反應：2H₂O₂⁼⁼⁼⁼O₂↑ + 2H₂O， ?第一步反應：2Fe³⁺+ H₂O₂⁼⁼⁼⁼2Fe²⁺+ O₂+ 2H⁺

[問題1]把第二步反應補充完整，并思考催化劑有沒有參與該反應？什么是催化劑？

[學生回答]第二步反應：2Fe²⁺+ H₂O₂+ 2H⁺⁼⁼⁼⁼2Fe³⁺+ 2H₂O。催化劑參與了化學反應，它能夠加快化學反應速率，但自身的質量和化學性質在反應前后不變。

[問題2]有研究者描述催化劑既是反應物又是生成物，如何理解？

[學生回答] Fe³⁺作為反應物參與了第一步反應，然后經過后續的反應又生成了。

【主題情境5.1.2】CO₂轉化為炭黑回收利用的轉化圖（圖4）。

[問題3]這一過程中哪種物質作催化劑？怎么辨別？

[教師總結]催化循環圖中，根據箭頭指向，流入循環圖的是反應物，流出循環圖的是生成物，催化劑和中間產物雖然都可以循環再生，但催化劑是首先和反應物反應的物質。

【評價任務5.1】觀察處理NO_x的轉化過程（圖5），找出該過程中的催化劑。

[學生回答]催化劑是Cu⁺。Cu⁺首先作為反應物與O₂反應，參與反應，隨后又生成。

5.2 基于能量變化理解催化劑

【主題情境5.2】H₂O₂分解反應：2H₂O₂（l）⁼⁼⁼⁼O₂（g）+ 2H₂O（l），△H= ─ 98kJ·mol^-1。在I^-的催化作用下，催化過程分兩步完成：①H₂O₂+ I^-====H₂O + IO^-；②H₂O₂+ IO^-====H₂O + I^-+ O₂，其中第一步的△H > 0，反應速率較慢，第二步反應的△H < 0，反應速率較快。

[問題1] 結合信息，畫出H₂O₂分解過程中有、無催化劑兩種情況下的“能量—反應過程”圖。

[學生活動]依據情境信息，畫出圖6。

[問題2]制圖需要注意哪些問題？

[學生回答]總反應是放熱，所以反應物位置在上，生成物在下；加入催化劑后，活化能降低，且分成了兩步進行，應畫出兩個峰；反應①速率慢，活化能要大一些；反應②速率快，活化能小一些；催化劑并不改變反應的焓變，所以兩條曲線的起點和終點一樣。

[教師總結]總結出催化劑特點（圖7）：

[問題1] 觀察圖8合成氨過程中的“能量-反應歷程”示意圖，思考：①哪一步是合成氨的決速步驟？③從化學鍵角度分析為什么該步速率最慢？（吸附在催化劑表面上的物質用*表示；虛線表示未加催化劑，實線表示加催化劑）

[學生討論]決速步驟為N₂^*====2N^*，因為這一步反應的活化能最高；該步驟為氮氮三鍵斷開，因其鍵能較大，所以反應速率較慢。

[資料卡片]合成氨反應在某催化劑表面的具體行為也可由圖1表示，其過程為 （1） N₂、H₂擴散至固體催化劑的表面并吸附在活性中心上；（2）活性中心有強烈的吸附作用，使得N₂、H₂的化學鍵更容易斷開；（3）在一定催化劑表面上，活性中心的數目是有限的，N₂、H₂會競爭活性中心的位置；（4）N、H逐步形成N-H鍵；（5）合成NH₃后，脫離活性中心，擴散離開。

[問題2]閱讀資料，交流討論，思考：

①生產中，通入V（N₂）和V（H₂）的比例并不是1：3，而是1： 2.8，請從平衡及速率兩個角度解釋原因。

②合成氨過程中，會不斷將生成的NH₃液化移去，說明該操作的理由。

③反應的最佳溫度（773K）遠高于室溫，思考選擇這一溫度的原因。

[學生討論]從平衡角度來看，N₂適度過量有利于提高H₂的轉化率，從速率角度考慮，N₂的斷鍵是決速步驟，N₂稍多一些，能占據更多的活性中心，斷鍵更容易，反應速率更快；將NH₃移去，有利于反應正向進行，且空出活性中心，便于N₂的吸附；合成氨是放熱反應，降溫有利于平衡正向移動，但溫度過低會降低化學反應速率，綜合考慮，選擇773K。

[教師過渡]催化劑對化學反應速率的提高可達上萬億倍，選擇合適的催化劑是提高生產效率的最適宜途徑，研制適宜的催化劑往往是工業生產中最為重要的工作。

【評價任務5.3】為克服合成氨面臨的速率—平衡兩難問題，我國研制了Ti-H-Fe雙溫區催化劑（Ti-H區域和Fe區域的溫差可超過100℃），其反應歷程如圖9。解釋說明雙溫區催化劑的優點。

[學生回答]斷鍵過程在高溫區進行，成鍵過程在低溫區進行，即保證了化學反應速率較快，又保證了化學反應的限度。

5.4 課堂小結

本節課從物質變化、能量變化、途徑變化三個角度切入，借助不同主題情境，形成對于催化劑全面認知，具體概念圖如圖10。

6教學實踐效果及反思

從教學實踐來看，多角度認識催化劑極大提高了學生學習興趣。為進一步檢驗教學效果，將圖9所示催化歷程改編為指向三種不同認識角度的問題。例如在能量變化角度：催化歷程中的決速步驟是哪一步，請解釋原因；在途徑變化角度：五步轉化中，具體哪些在低溫區進行，哪些在高溫區進行，未來催化劑的研究方向如何？測試目標分別為檢驗學生是否能將活化能與化學反應速率建立關聯及是否能在理解催化劑作用的基礎上進行反應條件的調控。通過對50位同學的作答情況進行分析，發現85%以上同學在前兩個角度的作答情況良好，在途徑變化角度的題目作答中，有60%的同學能夠考慮到溫度對化學反應速率及化學反應限度的綜合影響，提出未來要開發低溫催化效果好、能進一步降低決速步驟活化能的催化劑。可見經過本節課教學，學生能夠較好地在物質變化角度和能量變化角度實現對催化劑的理解，在途徑變化角度激發了創新意識。課后，通過與聽課教師的討論，對本節課也做了思考：（1）催化機理的內容對一些同學的思維要求較高，出現了在不同風格班級上課效果相差較大的情況，如何改進教學設計并在課堂中實時根據學生的反饋進行新的生成需要繼續思考；（2）催化劑的教學內容相對來說較為獨立，但其與化學反應原理知識密切相關，如何將對催化劑的系統認識分布在其他原理知識的教學過程中，是后續改進的關鍵。

參考文獻

[1] ?中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版）（S）.北京：人民教育出版社，2018：31-33.[2] ?朱正德. 用氯酸鉀制氧中催化劑代用品探究[J].中學化學教學參考， 2017， 4： 52-54.