大學化學課程中化學動力學的理論與實踐相結合的教學模式探索—以阿倫尼烏斯公式與催化劑應用為例

＊董媛 楊明

（中國地質大學（武漢）材料與化學學院 湖北 430074）

化學動力學是研究化學反應速率和反應機理的科學領域?；瘜W反應速率是指單位時間內反應物消耗或生成物產生的數量。速率可以通過測量反應物濃度或生成物濃度的變化來確定。速率常數表示單位時間內反應速率與反應物濃度之間的關系，其大小反映了反應的快慢。此外，化學動力學還探索了反應的活化能，即反應需要克服的能壘。掌握化學動力學的基本概念和原理有助于更好地理解和控制化學反應，從而促進科學和工業領域的發展[1]。事實上，傳統大學化學授課更為側重概念和原理等基礎教學，教材中有應用實例但無法及時反映現階段最新研究進展。理論與實踐相結合的教學新模式可實現理論教學與實踐分析的有機融合，最大程度調動學生的積極性，引導學生開展自主學習。本文以反應動力學中阿倫尼烏斯公式與催化劑應用探索為例，探討了理論與實踐相結合的教學模式應用方法及特點。

1.阿倫尼烏斯公式與催化劑教學知識點解析

(1)阿倫尼烏斯公式的解析與應用分析

阿倫尼烏斯公式是由瑞典化學家阿倫尼烏斯在總結了大量實驗結果的基礎上提出來的，是化學動力學中用于描述化學反應速率與溫度之間的重要公式。阿倫尼烏斯對化學和物理學領域做出了重要的貢獻。阿倫尼烏斯的科學精神對當代大學生學習有眾多啟發：①堅持不懈：阿倫尼烏斯的研究過程中充滿了挑戰和困難，但他始終堅持不懈地追求科學真理。這激勵著當代大學生在學習中遇到困難時要持之以恒，勇往直前。②跨學科思維：阿倫尼烏斯的研究跨越了多個學科領域，啟發了當代大學生要培養跨學科的思維能力，將不同學科的知識和方法結合起來解決問題。③創新思維：阿倫尼烏斯勇于挑戰傳統學術觀點，提出了前瞻性的理論，鼓勵當代大學生在學習和研究中保持開放的思維，勇于創新和探索新的領域。

阿倫尼烏斯公式可以表示為如式（1）：

其中，k是反應速率常數；A是指前因子；Ea是活化能；R是理想氣體常數；T是反應溫度。反應速率常數k隨著溫度的增加而增加。溫度升高可提高反應物能量，使其更容易克服活化能壘，從而加快反應速率。阿倫尼烏斯公式中的指數項exp(-Ea/RT)描述了反應速率與溫度之間的指數關系，對于了解和控制化學反應速率具有重要意義。首先，利用阿倫尼烏斯公式可以實現反應條件的預測和優化。通過測定不同溫度下的反應速率常數可以確定最適宜的反應溫度，這對于工業生產中的反應優化和能源消耗的控制非常重要。其次，阿倫尼烏斯公式也可以用于推斷反應機理。通過測定不同溫度下的反應速率常數計算反應活化能?；罨艿拇笮∈峭茰y反應轉化步驟和中間體的重要依據，對于反應機理和路徑的理解意義重大。

(2)催化劑知識點的解析與應用分析

催化劑通過改變化學反應路徑降低反應活化能，從而提高反應速率，同時不被反應消耗。首先，反應物分子在催化劑表面被吸附，形成吸附物種。吸附使反應物分子之間的距離縮短，增加了反應的可能性。其次，在吸附態下，反應物分子經歷活化過程，使它們獲得足夠的能量，以克服活化能壘，進而發生反應。最后，產物從催化劑表面脫附，釋放出的活性位點再次吸附反應物催化下一次反應。催化劑在化學反應中一般起到促進作用。通過改變化學反應的活化能，催化劑可以提高反應速率并降低反應所需的能量，在工業化學（合成甲醇、氨等化學合成）、環境保護（如汽車尾氣凈化）、可再生能源（如光催化制氫）和電化學（如燃料電池）等領域都有廣泛的應用。相對而言，傳統大學化學授課更為側重概念、機理等基礎性和原理性內容的講授。

2.化學動力學的理論與實踐相結合的教學新模式

化學動力學理論課程包含反應速率基本概念、速率方程、阿倫尼烏斯方程及催化劑作用機理等內容，理論性較強，傳統以課堂理論授課為主的教學模式難以讓學生真正吃透相關知識點，無法與實際問題較好的聯系在一起。而理論與實踐相結合的教學新模式實現了課堂理論教學與實踐分析相融合的一體化教學，讓學生通過實踐的觀察和思考理解化學動力學的理論知識，真正體會理論知識的具體應用[2]。總體來說，理論與實踐相結合的教學模式優勢顯著。

（1）提高學生學習熱情和學習效率，提高教學質量和教學效果。理論讓實踐有跡可循，實踐讓理論豐富生動。教學過程中引入大量的實踐輔助理論教學，可以讓理論知識具有豐富的畫面感和空間感，真正做到通俗易懂、深入淺出，提高學生對于新知識尤其是相對抽象的知識的理解程度，從而激發學生的學習熱情[3]。對學生而言，通過理論與實踐相結合的授課方式，一方面可以讓學生學會活學活用；另一方面也可以教會學生透過現象看本質，利用理論知識解釋實際問題。對老師而言，平面化的理論知識與立體化的實例相結合授課，極大地豐富了教學內容，調動學生的求知欲從而提高教學質量和教學效果[4]。

（2）解決理論教學內容與實際應用脫節的問題。大學化學中化學動力學內容相對抽象，部分同學難以真正掌握精髓，甚至少部分學生完全靠機械式記憶完成考試。針對此問題，本課程中相當一部分內容如反應速率、反應活化能、催化劑作用及機理等教學內容，每次課程均以實際應用為導向，通過生動的實例帶動學生學習熱情，將現實問題的解釋與理論知識相互對應，促進學生實現理論學習向應用能力的培養轉化。同時，通過實例教學進一步深化理論教學內容，提高學生對理論知識學習的積極性和主動性，明白理論知識學習的重要性。

（3）教學模式對學生學習成效的影響。采用理論與實際相結合的教學方式，以緊跟我國先進技術發展現狀的實踐應用為導向指導理論教授，通過熱點互動調動學生的學習積極性，將最新相關技術融入課堂教學，引導學生將所學所想與國家發展關聯起來，深刻認識技術創新對科技進步的重要意義，目光長遠且胸懷理想，有效提升學生對國家建設的使命感，促進其自主學習。采用理論與實踐相結合的教育模式，激發學生的學習熱情，通過自主選題累計獲批各類大學生科研項目8項，其中國家級大學生創新創業訓練重點項目3項、大學生自主創新資助計劃1項和教學實驗室開放基金4項，所有項目均已結題，其中4個項目獲評優秀。

3.理論與實踐相結合的教學模式實施案例

以阿倫尼烏斯公式與催化劑應用為例，使學生對化學動力學的應用有了更深入的了解。阿倫尼烏斯公式是描述化學反應速率的基本方程，通過具體案例的講解和實踐操作，學生能夠更加具體地理解這個公式的應用和意義。同時，催化劑的應用也是化學動力學中重要的內容之一，通過探索催化劑的作用機制和應用領域，學生能夠將理論知識與實際問題相結合，培養解決實際化學反應問題的能力。有機液體儲氫技術通過不飽和芳環有機分子催化加氫和催化脫氫從而實現氫氣的儲存與釋放。本文則以7-甲基咔唑催化加脫氫反應為例，首先，利用反應動力學模型計算了反應速率常數及表觀反應活化能，其次以催化劑的實際應用為例，用實例解釋催化劑的具體作用和重要性。有機液體儲氫分子為芳環不飽和分子，多次實驗測試表明初始反應物的加氫和脫氫反應均符合一級反應動力學模型，即：

對式（2）變形得到反應速率常數計算公式，即：

利用式（3）可以獲得不同反應溫度下的反應速率常數，根據阿倫尼烏斯式（4），則可推導得到該步反應的表觀活化能，即：

圖1 （a）7-甲基吲哚加氫一階動力學曲線及阿倫尼烏斯曲線；（b）全氫化7-甲基吲哚脫氫動力學曲線及阿倫尼烏斯曲線

將不同溫度下的lnk對1/T作圖，通過擬合得到的直線斜率可計算得到表觀反應活化能。7-甲基吲哚在無催化劑作用下無法實現氫化反應和脫氫反應，引入催化劑之后反應能壘降低，可實現分子的氫化和脫氫反應。7-甲基吲哚在Ru/Al2O3催化劑作用下，可在130～170℃范圍內實現加氫。如圖1（a）所示，利用式（2）計算各個溫度下的反應速率常數，利用式（3）可以推導獲得加氫反應表觀活化能為8.6kJ/mol。

全氫化7-甲基吲哚在Pd/Al2O3催化劑作用下，可在170～200℃范圍內實現脫氫。如圖1（b）所示，計算獲得不同反應溫度下反應速率常數，最終獲得脫氫反應表觀活化能為11.2kJ/mol。通過計算7-甲基吲哚加氫和脫氫反應的表觀反應活化能，發現在所選的催化劑表面該分子具有較低的反應能壘，從而使反應易于進行且能量消耗較低。這一發現為儲氫技術催化劑的篩選設計提供了有力的依據。特別是，世界上首臺采用有機液體儲氫技術的大巴車“泰歌號”的脫氫催化劑設計與此方法息息相關。

2016年8月，中國地質大學（武漢）可持續能源實驗室和同濟大學汽車學院聯合開展了有機液體供氫系統及供氫系統與燃料電池一體化控制系統的研發工作。隨后于2016年9月，全球首臺基于常壓有機液體儲氫技術供氫系統的氫能汽車工程樣車“泰歌號”在武漢上線，這一重要里程碑標志著我國在“常溫常壓儲氫技術”商業化應用上取得了重大突破。該汽車最核心的技術之一就是常溫常壓有機液體儲供氫系統，氫化的有機液體“氫油”進入供氫系統反應器，反應器中填充了脫氫催化劑，在催化劑的作用下實現快速脫氫反應產生氫氣。釋放的氣體經過氣液分離后直接進入燃料電池發電，為“泰歌號”氫能汽車提供持續的氫燃料。

正是由于該汽車采用了自主研發的高效脫氫催化劑，有效降低脫氫反應過程的“能壘”，其脫氫反應的活化能較低，因此，能夠在較低的溫度下實現高效釋放氫氣。通過上述具體實例，生動地展示了理論與實踐相結合的教學模式的具體應用。運用阿倫尼烏斯公式可以計算得到在某一催化劑表面反應的表觀活化能，從而理解催化劑在反應過程中的催化機理。

4.結論

本文旨在探索大學化學課程中化學動力學的理論與實踐相結合的教學模式。通過本文的研究和案例分析，可以得出：在大學化學課程中，將化學動力學的理論與實踐相結合的教學模式是一種有效的教學方法，能夠提高學生對化學動力學基本概念和原理的理解和應用能力。這種教學模式能夠激發學生的學習興趣，提高教學質量和教學效果，解決理論教學內容與實際應用脫節的問題，對學生的學習成效具有積極的影響。