“催化劑”認知困境與教學對策

吳晗清 李豆豆

摘要： 催化劑是化學教學中非常重要的概念，然而學生存在深度的認知困境。基于此，指出在教學中要善于運用相關的理論解釋催化劑如何參與化學反應，如何加快反應速率但不改變化學平衡，指出催化劑對加速化學反應具有高度的選擇性。從不同的角度對催化劑的實際應用進行歸類，加強學生對催化劑的科學認識。

關鍵詞： 催化劑;化學教學;實證研究

文章編號： 10056629（2018）3008704 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 催化劑教學及相關研究

1.1 課標與教材

催化劑是化學教學中非常重要的概念。新課標在《化學2》“化學反應與能量”主題中“催化劑”的內容標準是，通過實驗認識化學反應速率，了解控制反應條件在生產和科學研究中的作用。在選修4《化學反應原理》“化學反應速率與化學平衡”主題中“催化劑”的內容標準是： 知道活化能的含義及其對化學反應速率的影響;通過實驗探究溫度、濃度、壓強、催化劑對化學反應速率的影響，認識其一般規律;通過催化劑實際應用的事例，認識其在生產生活和科學研究領域中的重要作用;通過實驗探究溫度、濃度、壓強對化學反應速率的影響，并能用相關理論進行解釋。

現行的化學高中教材有人教版、魯科版和蘇教版，三個版本的教材雖然在編寫理念和呈現方式上各具特色，但是其核心內容與新課標一脈相承。三個版本對催化劑的介紹突出化學反應研究的不同視角，有助于學生建立合理的認知結構。人教版呈現了3個實驗和4個科學探究實驗得出催化劑對反應速率的影響，簡單運用碰撞理論解釋催化劑的作用，并未提及過渡態理論;魯科版則主要通過提供的5組表格數據和2個圖示結合基元反應、反應速率常數、活化能等形成對化學反應速率的定量認識，運用碰撞理論和過渡態理論對催化劑對反應速率的影響進行更加科學的解釋;蘇教版主要通過3個定性的對比實驗形成結論，結合碰撞理論和過渡態理論進行簡單解釋 [1]。

通過充分解讀課程標準和教材，筆者認為不同階段“催化劑”的意涵不同，不同模塊的深廣度也不同。必修模塊對催化劑的教學要求是，從定性的角度認識化學反應速率有快慢之分，知道催化劑對化學反應速率有影響，能夠舉出生產生活中催化劑影響化學反應速率的實例。而選修模塊則在必修的基礎上研究化學反應速率的定量表達，能夠解釋活化能的含義，并定性了解活化能的高低與反應速率大小的關系，在知道催化劑能改變化學反應速率的基礎上解釋催化劑及其影響反應速率的基本原理，知道催化劑具有選擇性。而且結合三本教材對催化劑內容的處理，教師可以在學科基礎的背景下，凸顯反應機理研究，即要求學生能夠較為全面地了解催化劑的原理、特征和應用。

1.2 相關研究

在知網上以“催化劑”為關鍵詞檢索文章，匹配的大都是高效催化劑的選擇與應用和新型催化劑的研究進展，詳細介紹簡單催化劑的反應機理和相關內容的文章較少。其研究主要有以下三個方面： 一是從物相的角度將反應分類，不同類型的反應選擇不同的催化劑。物相有均相和多相兩種，均相催化作用機理是催化劑先和反應物作用形成中間化合物，然后由中間化合物轉化為產物。這里催化劑的作用是改變了原來反應的歷程，降低了反應的活化能。而多相催化的一般機理是反應物分子被吸附在固體催化劑表面而離解，從而使反應活性大大提高，活化能降低，反應速率大大加快 [2]。

二是均相和多相反應的基礎上進一步細分反應類型。這類研究沒有一個統一的完整理論，很多都處在半經驗狀態，這些研究會集中闡釋某一兩種反應機理，并舉例說明。比如均相催化中很普遍的酸堿催化被解釋為經過離子型的中間物即經過正碳離子和負碳離子而進行，而另一種均相反應中的絡合催化是通過金屬原子或離子的活性中心同反應分子的不飽和基團形成所謂的δπ配鍵，使不飽和基團π電子云部分轉移到金屬上（形成δ鍵）然后再通過電子反饋使金屬上的電子云轉移到不飽和基團的反鍵π *軌道上，從而達到了激發活化的目的 [3]。

三是從電子流動的角度解釋催化劑在有機反應中的作用。分析和總結了催化劑催化有機化學反應的4種基本方式，包括建立電子流動通道、改變電子流動屬性、加強電子流動能力和穩定電子流動結果。避開了軌道和鍵等方面的知識，用電子的流動形象地說明了催化劑作用的方式，較前一種解釋更有利于學生的理解 [4]。

1.3 教學誤區與命題趨勢

催化作用是中學化學教學的一個重難點，高中新課程中增加了催化效果比較的內容，這一內容也逐漸成為近年來高考試題熱點。比如近些年出現的試題有通過實驗比較催化效果;探究影響催化效果的因素，包括催化劑的性質、用量及外界環境;通過圖像來判斷催化效果等等。我們發現，高考有關催化劑的內容已經由簡單的概念判斷轉變為實驗設計、數據分析、圖像分析與繪制等綜合考察方式，這就要求學生全面認識催化作用，知道催化劑如何參與反應、改變反應歷程從而改變化學反應速率。在實際教學中，教師對于催化劑的教學只是泛泛而談，沒有深入到機理層面，導致學生一知半解，在處理這種新型問題時難免棘手。因此在日常的教學中滲透催化原理方面的知識，不僅必要而且十分緊迫 [5]。

2 學生對催化劑認知的實證研究

2.1 研究對象與研究工具

對北京市某示范高中的195名高二已學完《化學反應原理》的學生進行了測試，收回有效試卷174份，有效率為89.2%。研究采用自編問卷，問卷效度主要通過專家診斷和預測來保證，信度則依賴于回答問題的內部一致性來檢驗。

問卷由三個維度構成： 一是原理部分： 催化劑是怎樣影響化學反應速率的？什么是活化能？活化能對化學反應速率有何影響？請用碰撞理論和過渡態理論解釋催化作用。二是特征部分： 寫出催化劑的特點，催化劑能否改變化學平衡？請解釋原因。一種催化劑能應用于多種化學反應嗎？請說明理由。三是應用部分： 舉出有哪些不同用途的催化劑？

2.2 研究結論

總體而言，催化劑對學生來說是一個熟悉的陌生概念。所有學生都能或多或少地寫出“催化劑加快反應速率”、“反應前后質量和性質不會改變”、“催化劑降低反應活化能”等催化劑相關的性質和特點。但是絕大部分學生不知道催化劑怎樣參與化學反應過程，僅能寫出在反應中只會增加反應速率然后“功成身退”。學生能夠回答催化劑具有專一性和不改變化學平衡，但是有一半以上的學生不能清楚地說明理由。在催化劑的應用方面，學生能舉出的例子也比較貧乏，說明他們對催化劑的應用了解甚少，沒有建立起對催化劑的簡單認識。

2.2.1 催化反應的機理分析： 僅有少數學生能夠寫出基本的催化原理

催化劑的反應機理涉及到催化劑在化學反應中的反應歷程，內容比較復雜。筆者預設部分學生能寫出催化劑“可以提供反應場所”和“參加反應生成中間物最后又能再生”等作用機理。但絕大多數學生都無從下手，只是把催化劑的特點（比如降低活化能，加快反應速率等）當作催化反應機理。不過，有12.1%的學生提到催化劑和反應物先“生成中間物質”，還有3.4%的學生提到反應物依附在催化劑表面，催化劑的作用就是提供一個反應場所。可以看出少數學生對催化劑有所了解，但是多數學生還是一知半解。

碰撞理論和過渡態理論是用于解釋催化作用的兩個理論，有80%的學生能大致描述碰撞理論的含義，并能與催化劑相聯系，但只有12%的學生能寫出過渡態理論。整體而言，學生對過渡態理論比較陌生，并沒有過多的對催化原理的基本認識。

2.2.2 催化劑特點的認識： 大多數學生對催化劑特點的描述還停留在初中階段

關于催化劑的特點，學生答案各不相同，沒有體現出對催化劑認識的提升。大多數學生答案的要點都是教材上的概念，說明他們對于催化劑的認識基本上來源于課本概念。在解釋催化劑能否改變化學平衡的問題上，多數學生都認為不能，可是并不能說明原因。大多數學生知道催化劑有選擇性（專一性），但在解釋催化劑的選擇性時，基本沒有涉及到活化能或者活性中心。有的認為催化劑能參與反應就表現出專一性，學生的答案是各種猜想，而且非常籠統和不準確，說明不清楚何為“選擇性”及選擇性的原因所在。

出現這樣的結果，筆者認為除了學生自身的因素外，教材和教學對迷思概念的形成也有一定的影響。目前中學教材中催化劑的概念，在不同學段、不同模塊中都有表述（見表1），可以發現表述大致相同。雖然選修四是反應原理的系統學習，但是這里的催化劑概念也只是引入了活化分子百分數，這種模糊的解釋給學生帶來了錯誤的認識，不利于學生正確概念的建構。

2.2.3 學生對催化反應實例的掌握： 量少而且沒有分類思想

問卷要求學生盡可能寫出所知道的需要催化劑的化學反應。結果顯示，幾乎所有學生都寫出過氧化氫分解成氧氣和水的反應，還有部分有機反應。有40.0%的學生寫出四個或四個以上的反應，有40.0%的學生寫兩個或三個，僅僅寫出一個的占20.0%。可見學生對已經學過的反應并不熟悉，首先是量少，其次是復雜的方程式少。另外，即使寫出十幾個方程式的學生，也沒有根據分類的思想進行歸類整理。

筆者根據教材模塊，對中學教材中涉及催化劑的反應進行了整理，而且還對其應用領域進行了分類，發現常見的催化劑可用于無機化學品的合成、合成氣和氫氣的制備、煉油和基本化學品的制備、石油化學品的生產、高分子化合物的加工、能量生產與污染控制等方面。

3 教學建議

催化劑在化學方程式中雖然不是反應物也不是生成物，但它和反應物相互作用，在反應過程中，催化劑不斷反應、再生，循環不已。催化劑的作用就在于“活化”反應分子，降低活化能，從而加快反應速率。根據近代表面分子催化理論，催化劑對反應物的“活化”，不管在多相中，還是在均相中，其作用原理都可以統一在“配位”這個概念中。催化劑的概念可以這樣給出： 催化劑是一種能夠改變化學反應速率，卻不改變化學反應熱力學平衡位置，本身在化學反應中不被明顯消耗的化學物質。

3.1 強調催化劑通過改變反應歷程而改變反應速率，但不能改變化學平衡

舉例來說，N 2和H 2反應生成NH 3的反應，非催化過程中N 2和H 2分子解離成N+3H的活化態需要克服1129kJ/mol的活化能壘，反應物分子難以具有足夠的能量克服如此高的活化能壘而發生反應，因此在沒有催化劑參與的情況下，反應難以進行。當加入催化劑鐵時，吸附在催化劑表面的N 2分子只需克服31kJ/mol活化能壘，就可以解離為原子態N，形成N+3H活化吸附態只需276kJ/mol。反應速率比非催化反應速率高10 60倍，因此能實現合成氨的工業生產。

因此，催化劑的作用是提供新的從能量上來說更有利的反應途徑。對于一個可逆化學反應，反應進行到什么程度，即它的化學平衡位置是由熱力學所決定的。ΔG θ=-RTlnK p，化學平衡常數K的大小取決于產物與反應物的標準自由能之差ΔG θ和反應溫度T。催化劑存在與否不影響ΔG θ的數值，即ΔG 催與ΔG 非催相等。因此，催化作用只能加速一個熱力學上允許的化學反應達到化學平衡狀態。所以在判定某個反應是否需要采用催化劑時，首先要了解這個反應在熱力學上是否允許。只有熱力學允許，平衡常數較大的反應加入適當催化劑才是有意義的 [5]。

3.2 要深度關注催化劑對加速化學反應的選擇性

催化劑并不是對熱力學上允許的所有化學反應都能起催化作用，而是特別有效地加速平行反應或串聯反應中的某一個反應，這種特定催化劑只能催化加速特定反應的性能，稱為催化劑的選擇性（專一性）。不同催化劑之所以能促使某一反應向特定產物方向進行，其原因是這種催化劑在多個可能同時進行的反應中，使生成特定產物的反應活化能降低程度遠遠大于其他反應活化能的變化，使反應容易向生成特定產物的方向進行。因此，催化某一特定反應產物具有選擇性的主要原因是由于催化劑可以顯著降低主反應的活化能，而副反應活化能的降低則不明顯。例如，以合成氣（CO+H 2）為原料在熱力學上可以沿著幾個途徑進行反應，但由于使用不同的催化劑進行反應，就會得到表2中的不同產物。除此之外，有些反應由于催化劑孔隙結構和顆粒大小不同也會引起擴散控制，導致選擇性的變化 [6]。

3.3 宜初步對催化反應機理進行分類探析

均相催化，即反應物、生成物和催化劑都是同一相態，可以是氣相的也可以是液相的。如NO可以催化SO 2+O 2SO 3的反應就是氣態均相催化反應，酯類的水解必須加些酸作催化劑就是液態均相催化。催化劑之所以能加快反應速率是因為降低了活化能。對于均相催化，一般可用形成“中間活化絡合物”來說明，其中最典型的是酸堿催化體系，均相酸堿催化一般以離子型機理進行，即酸堿催化劑與反應物作用生成碳正離子或碳負離子中間物（或中間體），這些中間物與另一反應物作用（或本身分解），生成產物并釋放出催化劑，構成酸堿催化循環。在酸堿催化反應中，必須包含兩個步驟： 第一步，反應物接受質子，生成活化的中間物;第二步，中間物釋放出質子生成產物，同時催化劑再生出來。

非均相催化中催化的主體是固態的過渡金屬、金屬氧化物和金屬含氧酸鹽，反應物則是氣體或液體，催化劑和反應物的物態不同，所以催化過程是非均相的，也可說是多相催化。這類催化劑之所以能降低活化能，一般是用“吸附作用”來說明的。如N 2O氣體分子分解為N 2和1/2 O 2的反應活化能是250kJ/mol，當它被Au吸附后，由于N 2O的氧原子與金表面的Au原子成鍵形成中間產物，N 2O在金粉表面催化分解時，活化能降為120kJ/mol，分解反應就快得多。研究吸附性能是多相催化研究的重要課題之一。Au、 Ag、 Pt、 Pd、 Co、 Ni等過渡元素具有優良的催化性能，但它們都相當稀貴，而催化反應卻只在表面進行，因此常選用硅膠、氧化鋁等多孔物質作為載體，將具有催化活性的過渡金屬浸漬于上，就能大大提高催化效率。

碰撞理論和過渡態理論是科學家在不同時期提出的有關化學反應速率的理論。碰撞理論創建于20世紀初，主要適用于氣體雙分子反應。主要論點有： 反應物分子必須相互碰撞才有可能發生反應，反應速率的快慢與單位時間內碰撞分子數成正比;只有能量足夠、方位適宜的分子對碰撞才是有效碰撞。碰撞理論比較直觀，但僅限于氣體雙分子反應，把分子當作剛性球體，而忽略了其內部結構。過渡態理論于20世紀30年代提出，認為反應物在相互接近時要經過一個中間過渡狀態，即形成一種活化絡合物，然后再轉化為產物。過渡態和始態的位能差就是活化能，或者說活化絡合物具有的最低能量與反應物分子最低能量之差為活化能。

催化劑的應用非常廣泛，與人們的衣食住行息息相關。在今天這個化學世界里，由工業提供的化學產品有85%是借助催化劑生產的。沒有催化劑，人們所需的生活材料便十分貧乏。它還在國防建設、農業發展、能源和資源合理開發與應用等方面都有巨大作用。因此作為教育工作者應該對催化劑予以重視，讓學生更科學地認識這一神奇的化學領域。

參考文獻：

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

[2]何艷.催化劑作用下的催化反應機理[J].長春師范學院學報，2005，（2）： 39～40.

[3]武克瑞.催化劑與催化作用（下）[J].中學化學教學參考，1979，（1）： 1～22.

[4]王文峰，袁耀鋒.從電子流動觀點看催化劑在有機反應中的作用[J].大學化學，2016，（6）： 62～66.

[5]周建華.高考化學有關催化效果比較類試題的思考[J].中學化學教學參考，2010，（Z1）： 57～59.

[6]王桂茹著.催化劑與催化作用（第3版）[M].大連： 大連理工大學出版社，2007.