高中化學“催化劑對反應速率的影響”的教學探討

曾玭

摘要：從高中化學教材中“催化劑對反應速率的影響”的實驗及科學探究內容出發，結合作者的教學體會，對本章節的實驗及其教學過程等進行探討，分享有關教學經驗，并就本知識點做相應的深入與拓展。

關鍵詞：催化劑；反應速率；雙氧水；實驗；教學

文章編號：1008-0546（2017）05-0060-03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.05.019

化學反應速率是化學反應的一個非常重要的特征參數，它反映了化學反應過程的快慢，影響因素包括反應物本身的內在性質及濃度、溫度、壓強、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，可有效提高化學反應速率。我國普通高中化學課程標準對“催化化學”內容做了如下要求：（1）認識催化劑的研制對促進化學工業發展的重大意義；（2）通過實驗探究催化劑對化學反應速率的影響，認識其一般規律；（3）通過催化劑實際應用的示例，認識其在生產、生活和科學研究領域的重大作用。高中化學教材中安排了專門的章節來講述“催化劑對反應速率的影響”。以筆者所使用的2007年人教版普通高中化學教材為例，選修4《化學反應原理》第二章 “化學反應速率和化學平衡” 第四節“催化劑對反應速率的影響”主要是通過“二氧化錳催化雙氧水的分解” 實驗及科學探究來闡述催化劑對反應速率的影響。下面就本章節內容及教學體會做簡單探討。

一、“二氧化錳催化雙氧水的分解” 實驗的教學探討

教材中有關“二氧化錳催化雙氧水的分解” 實驗過程的描述為“錐形瓶內盛有10 mL左右10%的H2O2，雙孔膠塞上插有短導管和漏斗，短導管里插有帶余燼的木條。開始時余燼沒有明顯變化，經漏斗向錐形瓶內加入少量MnO2后，錐形瓶中迅速產生大量氣泡，余燼復燃。”實驗裝置如圖1所示。

教學探討：

1、本實驗對加入的MnO2催化劑用量以“少量”進行表述，即定性而非定量。盡管教材未明確本實驗需加入具體多少質量的MnO2，但筆者認為教師在教學實踐尤其是學生分組實驗中應明確告知學生在加入MnO2時，須嚴格遵守“少量”的操作要求（比如1/2小勺或1小勺），因為該實驗背后暗藏了一定的實驗危險，教材并未對此做出提示。從圖1可知，該實驗裝置的密封性設計較好，主要出氣口為漏斗管口。如果一次性加入大量MnO2，由于H2O2的快速分解產生大量O2，錐形瓶內的氣壓將迅速增大，可能造成尚未來得及進入錐形瓶而殘留在漏斗中的MnO2粉末向外噴出，危及實驗人員安全，更嚴重的可能造成錐形瓶炸裂。因此，教師應在學生實驗前，將其中的風險說明清楚，使學生不致因MnO2未明確具體添加量而過多加入造成實驗危險。另一方面，也可以向學生表明，MnO2對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。本實驗通過不加MnO2分解H2O2與加MnO2分解H2O2的對照實驗，讓學生了解到MnO2能夠作為H2O2分解的催化劑，起到加快反應速率的作用。在“MnO2為什么能夠催化H2O2分解”的原因解釋時，教材是這樣描述的：“催化劑能加快反應速率，是因為它能改變反應的路徑，使發生反應所需的活化能降低。如圖2所示，圖中實線和虛線分別表示無催化劑和有催化劑的反應過程中，反應物和生成物的能量與活化能的關系。顯然，有催化劑時反應的活化能E2比無催化劑時反應的活化能E1降低了很多，這樣一來，就使反應體系中含有的活化分子百分數提高，從而使有效碰撞的幾率提高，反應速率增大”。教材通過“活化能”的概念對催化劑的作用進行了闡述，在教學實踐中，很多學生反映“活化能”的概念比較抽象，難以理解為何活化能降低了，反應速率就會加快。為此，筆者將有催化與無催化的反應過程與爬山進行類比，降低了理解難度，學生對知識點的理解消化也更輕松。如圖2所示，筆者將H2O2的分解反應過程比作爬山，起點與終點都相同，區別僅在于爬山的路線不同。活化能代表山坡的海拔高度，無催化反應的活化能E1大于有催化反應的活化能E2，即經“無催化路線（圖2中實線）”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。日常生活經驗告訴我們，爬矮山的難度顯然比爬高山的難度小很多，所需時間也更短。這樣一來，學生就非常容易地理解了有催化劑時的反應比無催化劑時的反應更快，即催化劑可以改變反應路徑，加快反應速率。

二、 科學探究案例分析與教學探討

教材在本章節共選取了三個科學探究案例來進一步探究催化劑對化學反應速率的影響，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；（2）利用硫酸錳催化高錳酸鉀與草酸溶液反應；（3）利用硫酸溶液和唾液催化淀粉與碘水反應。

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、唾液對淀粉水解的催化效果。（①加熱時顏色變淺，冷卻后會恢復原來的顏色）

通過以上三組科學探究案例，學生可在“MnO2催化H2O2的分解”實驗基礎上進一步加深對催化劑的理解，尤其是對“催化劑對反應速率的影響”的理解與掌握。在教學實踐中，筆者發現上述科學探究實驗尚不能十分嚴謹、全面地闡述相關問題，存在一定的改進空間。在科學探究案例1中，原方案通過分別添加FeCl3與CuSO4的兩組對照實驗來說明“同一個反應可以有多種催化劑，但是不同催化劑對同一化學反應的催化效果不同”。建議在該方案中增加一個不添加催化劑的對照實驗，實驗的效果及說服力可能會更好。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支試管的平行對比實驗，學生可以更直觀、更清晰地同時觀察到不加催化劑、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的催化效果優于CuSO4”的結論，即“催化劑可以明顯加速化學反應速率，同一反應可以由不同催化劑進行催化，但它們的催化效果不同，也就是說催化劑具有選擇性”。

科學探究案例2主要說明了“Mn2+對KMnO4的氧化作用具有催化功能”。為了加深學生對催化知識的掌握并作相應拓展，在教學實踐中，筆者將該案例與“MnO2催化H2O2的分解”實驗結合起來向學生進行講解，并設計了兩組對照實驗：（1）向10mL左右10%的H2O2溶液的錐形瓶中加入少量MnSO4（實驗裝置與圖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。通過實驗觀察可發現：（1）加入MnSO4的H2O2溶液并無顯著的氣泡產生，余燼也未復燃；（2） 加入MnO2的試管溶液顏色并未快速褪去。實驗結果表明，MnO2在H2O2的分解中能起到加速分解反應的催化作用，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，MnO2卻不可以，說明本反應中起催化作用的是Mn2+（MnSO4易溶于水，MnO2不溶于水）。通過上述補充實驗及結果的觀察，向學生闡述“雖然MnSO4與MnO2都是錳的化合物，但在反應中起催化作用的有效成分不同，未必都能對同一反應起到催化作用”。

對于案例3，筆者在教學實踐中主要從兩個方面對學生進行教學與引導，一是將教材中的備注內容解釋清楚；二是從生物催化劑與無機催化劑的對比角度進行講解。教材在案例3中有“必要時可以加熱，加熱時顏色變淺，冷卻后恢復原來的顏色”的備注。教學中應引導學生主動思考該備注背后的原因，即為何加熱時顏色變淺，冷卻后恢復原來的顏色？在學生思考討論完后，再對該現象加以解釋：在淀粉溶液中滴加碘水，溶液顯藍色，這是淀粉與碘通過包合作用形成的螺旋狀包合物所致。對該藍色溶液加熱，由于溫度的上升導致I2在水溶液中的可逆歧化反應（I2 + H2O H+ + I- + HIO）平衡右移，I2濃度快速降低，當I2濃度低于最低顯色濃度時，就表現為溶液的藍色快速褪去；當褪色后的溶液冷卻時，由于溫度下降導致I2在水溶液中的歧化反應平衡左移，I2濃度不斷增大，當I2濃度高于最低顯色濃度時，溶液重現藍色。此外，在該案例實驗中，通過實驗可以觀察到唾液對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，與無機催化劑相比具有更高效的催化活性，同時也具有很高的選擇性。通過生物催化劑概念的引入，可以加強學生對生命過程的認知。簡而言之，在科學探究3個案例的教學實踐中，筆者對教材內容加以適當的補充、拓展，使學生更加清晰、全面地理解、掌握有關“催化劑對反應速率的影響”的知識點，即：催化劑能加快反應速率，但不同催化劑的催化效果不同，選用適當的催化劑是改變化學反應速率的有效方法之一。

三、 催化劑知識點的習題鞏固與教學探討

為鞏固本章節有關催化劑的知識點，教材在本章節后設計了一道有關催化劑的習題：NO和CO都是汽車尾氣中的有害物質，它們能緩慢地起反應，反應化學方程式為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；C.提高反應溫度。認為可行的方法是 ，理由是 。

筆者在教學實踐中讓學生獨立完成該習題，從學生的回答中可以了解學生對催化劑知識點的掌握程度，然后在此基礎上對知識點進一步加以拓展。汽車尾氣處理問題不僅是一個科學技術問題，也是一個關注度很高的社會問題。筆者在課堂上結合德國大眾汽車的“排放門”事件的新聞報道（2015年9月，德國大眾汽車公司被曝出汽車尾氣檢測造假丑聞，部分柴油車存在使用操控軟件躲避尾氣檢測的情況。軟件可以識別汽車是否處于被檢測狀態，繼而在車檢時秘密啟動，調控所排放的尾氣。這樣一來，它們在車檢時能以“高環保標準”過關，而在平時行駛時卻超標排放污染物），綜合講解汽車尾氣處理中的催化問題。采用情景教學法從新聞報道的角度切入話題，向學生闡明汽車尾氣排放的處理的重要性及技術難度（否則大眾汽車公司也不會冒高風險進行造假）。汽車尾氣處理目前最有效的方法是利用催化劑加速CO、NO等有害氣體的反應與去除，其中的機理比較復雜。一般認為，CO的去除主要基于以下機理：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的機理是：吸附在催化劑上的NO分解出一個氮原子和氧原子，氮原子或彼此結合形成N2，或與另一個吸附的NO結合形成N2O，氧原子留在催化劑表面，與吸附的CO反應生成CO2。用催化的方法凈化尾氣是直接將尾氣轉化為無害物，既避免吸收、吸附等凈化方法可能產生的二次污染，又使操作過程得到簡化，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新型高效的尾氣處理催化劑。這樣的教學可以激發學生對催化知識點的強烈學習興趣，引導學生在課外進一步深入了解催化劑與催化化學的知識。

四、結論

本文在“催化劑對反應速率的影響”這一章節的教材內容及其教學目標等基礎上，結合個人教學實踐，對本知識點進行了比較深入細致的分析、拓展與探討。鑒于催化反應的抽象性，對于催化劑作用的本質機理往往很難用直觀的化學方程式表達出來。因此，筆者認為在實際教學過程中，教師對于催化劑知識的講解應盡量結合實驗來開展，在教材的實驗設計基礎上可以進行相應的補充與拓展，使有關實驗得到的結論更加科學合理。同時，在催化劑的應用案例方面，應更加貼近時代和生活，讓學生體驗和認識到化學科學對人類生活的真實影響以及化學知識的實用性。此外，還應注重從學生認知規律的角度出發，創設更多真實情境或生活實例來呈現催化劑或催化反應的內容，使學生對知識的認識從感性逐漸上升到理性。

參考文獻

[1] 宋心琦.普通高中課程標準實驗教科書《化學》選修4《化學反應原理》[M]. 北京：人民教育出版社，2007，2

[2] 中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（實驗）[M]，北京：人民教育出版社，2003

[3] 蔡梅燕，王明召，高中化學催化燃燒教學擴展[J]. 中國教育技術裝備，2008，18：35-36

[4] 王新平，王旭珍，王新葵，劉澤群，牛家豪.關于化學反應表觀活化能和指前因子的教學討論[J].大學化學，2011，26，3：33-37

[5] 鄭敏，張平柯，尹篤林.“化學反應速率”有關實驗的優化與改進研究[J].化學教育，2015，23：59-60