基于核心素養視角的化學“催化劑”教學探討

王衛軍

摘要：從學生核心素養培養的角度，對化學催化劑教育教學內容、價值與意義進行了剖析和探討，認為適當挖掘和理順中學化學催化劑的教學，能深化與完善學生化學知識體系，能指導和激勵學生發展，并培養學生社會責任意識與擔當。

關鍵詞：核心素養;催化劑;概念教學;中學化學

文章編號：1008-0546（2019）06-0002-06 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2019.06.001

一、中學化學“催化劑”教學現狀概述

“催化劑”是在中學化學教材中高頻出現的名詞，但呈現較為零碎，也沒有得到師生足夠重視，有關催化劑的教學，大都只是陳述了其作為單一影響因素對反應影響的結果，而極少討論其作用機理，以及與其他相關因素的綜合影響。最終以一種結論性知識讓學生識記，較少涉及思維和能力方面的要求。

綜觀各階段化學教材對催化劑的介紹，其實是推崇備至的，不僅介紹了催化劑的定義、工作原理和實踐價值，還對學生情感、態度與價值觀方面作出了積極的影響和指導。以人教版化學教材為例，較為具體介紹催化劑的有三處（表1）：

教材以“定性→半定量→機理”的方式逐步深入介紹催化劑。初中階段給出了催化劑定義，讓學生從宏觀和結果上認識了催化劑，當然，這里催化劑只是眾多化學反應條件中的一個，并沒有涉及其影響的過程和原理。在高中必修2教材中，催化劑以“科學視野”的形式呈現，講述了催化劑在工業生產中的廣泛應用，半定量陳述了催化劑對化學反應速率的影響結果，以及簡要介紹了催化劑發展歷史及前景。這里充分展示了催化劑對人類生活、生產的實踐意義和價值，并刻意對學生的情感和志趣進行了引導。到選修4，教材結合有效碰撞理論對催化劑催化機理進行了介紹，雖然不是特別具體和深入，但還是較為深刻地解析出化學反應本質和機理，它讓學生對化學反應的動力學和熱力學有了理解的角度和眉目，并由此建立化學反應控制思想和意識。

通過對教材的分析，可以發現，催化劑有很大的教學潛在價值，非常值得研究和挖掘。但在實際教學中，它卻不是教學重點，不屬于核心概念范疇。因此，它總是被有意或無意地忽視，甚至在初中階段，有些教師為了讓學生理解課本上“催化劑的質量和化學性質在反應前后都沒有發生變化”的說法，肆意地簡化和錯化催化劑催化機理，告訴學生催化劑是不參與化學反應的。于是，催化劑在學生心目中就成了化學反應的“圍觀群眾”，是置身于反應之外的。那么，它的“不變化”就可以輕易地被學生接受了。在高中階段，催化劑似乎也只是一個簡單的結論：“催化劑能加快化學反應速率，但不能改變化學平衡常數，也不能改變平衡轉化率。”而對催化劑的高效性、選擇性、以及研究的價值與意義極少探討。所以，催化劑在整個中學階段，都是一個知識碎片，既不深刻也不系統，在學生能力培養上沒有發揮出應有的價值。

當然，在中學階段對催化劑教學內容的理順與挖掘，并不是沒有邊界和止境的，我們不可能將足以作為一門化學學科分支的催化劑，全面納入到中學化學教學中來，超脫了教學實際必然是不可取的。為此，筆者就如何在中學階段，適切挖掘和組織催化劑教學內容，幫助學生深入認識化學反應本質，提升學生思維與思想品質，構建化學核心素養體系等方面，做一下嘗試性梳理，并闡述些個人看法。

二、中學化學“催化劑”教育教學內容、價值與意義探討

催化劑在實踐生產中的作用與價值日益凸顯，有關催化劑的研究也是方興未艾，催化劑自然不能在中學化學教學中缺席。一方面是由催化劑自身價值決定的，既然要培養學生“具備能夠適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力”，學生就不應該對催化劑一無所知;一方面催化劑概念、催化劑工作原理，有助于學生更清晰和詳實地認識化學反應過程;三是催化劑應用現狀和發展前景，對學生情感與志向具有激勵和導向作用。

1.對催化劑概念的再認識

早在1901年，物理化學之父奧斯特瓦爾德（F.w.Ostwald）就對催化劑和催化作用作了定義：“凡能改變化學反應的速率，而本身不形成化學反應的最終產物，就叫做催化劑。”到1977年，國際純粹化學及應用化學聯合會建議，將催化劑定義為：“存在較少量就能顯著的加速反應。而其本身最后并無損耗的物質稱為該反應的催化劑。”之問雖然歷經了76年的研究，對催化劑的定義表述稍有不同，但其核心意義是一致的，都是“能加快反應，但自身不變”，只是后面定義中涉及了催化劑催化效能及專一性方面的內容。結合當前中學化學教材對催化劑的定義，我們可以發現，定義中對“不變”的描述，從“不形成化學反應的最終產物”到“本身最后無損耗”再到“本身質量和化學性質沒有發生變化”，這反映出，人們對催化劑的認識是不斷發展的，進而推知，當前我們所學的化學概念并不一定是恒成立的，而是會隨著研究和認識的深入，不斷地得到修正和完善。

催化劑的“不變”，讓很多人誤以為催化劑擁有永久的壽命，似乎一旦制成就能永遠的使用下去。但事實上，催化劑并非長生不老，而是在使用的過程中，有一個由弱到強再衰退的過程，就如同生命一樣，有成長期、成熟期、衰老期，直至消亡（失去催化活性）。也就是說，催化劑在催化過程中并非真的不變。其“不變”結論是在摒棄了其他因素影響（副反應等），對被催化反應進行單一研究而得出的一種理想狀態下的結論。事實上，催化劑在催化過程中，其狀態、結構均會發生變化，而結構發生變化勢必改變化學性質，而且催化劑即便在成熟期，也會由于接觸到某些雜質而降低或失去催化活性，這種現象稱之為催化劑中毒。所以，在實際生產中，催化劑需要定期更換和補充，而非我們想象的那樣，加入一次催化劑就一勞永逸了。為此，在工業生產中，我們不得不考慮如何延長催化劑的壽命，而設法去凈化原料，排除毒物，并進行催化劑抗毒能力方面的研究。

2.催化劑一定程度上揭開了化學反應過程的面紗

我們對化學反應的研究，已經不滿足于知道反應的結果，而是希望掌握化學反應的過程。而過程的發現，就需要對化學反應過程進行干涉，即通過改變反應過程中的某些因素，而改變反應的結果，從而揭示出化學反應的真實過程。

（1）催化劑從化學鍵的角度改變了反應歷程

在初中階段，我們常用原子示意圖（如圖1）表示化學反應的過程，從中得出的結論也只是反應的結果，即化學反應就是元素原子重新組合的過程，故而其反應前后原子的種類和個數不變（質量守恒定律）。這里化學反應只是原子的“重新組合”過程，沒有涉及到為什么要這樣或那樣組合的問題。

到高中階段，通過催化劑，讓學生對化學反應過程有了更進一步的了解。如合成氨反應，從反應的吉布斯自由能來看，該反應有極大自發進行的趨勢，但事實上其反應發生極為困難，從第一次實驗室研制到工業化投產，大約經歷了150年的時間，由此可見，合成氨理論與生產實踐之間存在著巨大溝壑，而催化劑成為了跨越此問障礙的功臣。合成氨反應在沒有催化劑的條件下，即便是高溫高壓，它也幾乎不發生。但在催化劑作用下，發生了圖2的過程，催化劑參與并有效地幫助了N2、H2的解離，從而使得合成氨反應順利發生。

Haber-Bosch法合成氨中催化劑催化機理（圖3）有如下解釋：首先N2在鐵催化劑表面上進行化學吸附，使氮原子問的化學鍵減弱。接著是化學吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成-NH、-NH2和NH5，最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態的茸氨。可見，催化劑在反應中主要是幫助克服N=N鍵斷裂的困難。常溫常壓下N=N的鍵能高達946kJ/mol，鍵能很大，使得N2離解需要極高的溫度，但溫度過高又會造成NH3分解，溫度上的沖突難以調和，使合成氨工業化生產困難重重。而催化劑的介入，大幅度地減弱了N=N鍵能，讓其斷開無需很高的溫度，從而讓合成氨的工業化生產成為可能。

這個事實從另一個角度告訴我們，化學反應過程的確存在著化學鍵的斷裂和形成，同時也說明化學反應的路徑并不是唯一的，有多種可能，并在一定條件下是可以改變和選擇的。這就意味著，化學反應在一定條件下是可控的，這為我們合理地利用化學反應提供了思路。這對化學教學而言，有如下意義：①將“暗箱式”反應過程“明朗化”，由于“可視”而讓化學反應變得更易理解和接受;②反應從“封閉”走向“開放”，化學反應路徑不唯一，并受著反應條件的影響，故而化學反應是可控的，人力不僅可以介入，還能進行控制和選擇，駕馭反應朝著我們所期望的方向和方式去發生，即讓學生從“學化學”走向“參與化學”，由被動轉向主動;③催化劑讓有價值的反應從可能走向真實，不僅彰顯了化學學科的意義與價值，還能將其擴大化，即可以指導人們更有效地去開發和利用化學反應，從而讓某些有價值的化學反應由期待轉變成現實，這無疑為學生學習化學提供了動力。

（2）催化劑從能量的角度改變了反應速率

任何化學反應均伴隨著能量的變化。不管是化學反應中化學鍵的斷裂和形成，或是有效碰撞理論，均與能量轉化有關。在有效碰撞理論中，反應物分子只有吸收到足夠的能量才能轉化為活化分子，才有幾率發生有效碰撞，導致反應發生。

在高中選修4教材中，有如圖4的示意圖，展示了催化劑對反應活化能的影響，從圖中可以看出，催化劑參與了化學反應，改變了化學反應的歷程，降低了反應的活化能（E1→E3），從而減少了化學反應對溫度的要求，但卻不影響反應最終的能量轉化結果，即改變了反應對能量的需求，卻沒有改變反應的能量轉化量。課本的結論是：催化劑只是同等程度的改變正逆反應速率，而不改變平衡狀態及平衡轉化率。這結果不僅適用于物質層面，在能量層面也是適用的。

圖4對學生來說，不僅有抽象的化學意義，也頗為形象。化學反應過程類似于“翻山越嶺”，催化劑能另辟蹊徑地避開了高山險阻，而找到了一條相對容易卻能到達同樣終點的道路。當然，從嚴格意義上來講，圖4并不是非常合理，從催化劑的變化來看，化學反應必定包括著催化劑反應消耗與再生的過程。因此，有催化劑參與的反應路線至少有兩個峰，就如圖5所示。

催化劑從能量角度揭示了反應的過程，揭示了反應熱力學與動力學之間的本質聯系，可有效解決學生將化學反應動力學與熱力學截然分開又各自為政的現象，解決了學生由于機理理解不透徹、不貫通而思維受阻或不嚴密的情況。再者，通過催化劑的介入，可以發現，能量貫穿著反應的始終，它不僅是反應的起因，還是決定反應路徑與方向選擇的因素，更是反應必然的結果（熱效應），反應的整個過程都與能量息息相關，為此，由能量人手來控制和利用化學反應應該是個不錯的選擇。

3.催化劑在工業生產中具有化腐朽為神奇的力量

科學家致力于對化學反應的研究，不僅是為了探究化學反應事實，更在于如何利用化學反應、控制化學反應，乃至創造化學反應。催化劑能改變反應歷程、改變反應速率，這對我們控制和利用化學反應來說，意義是非凡的。一個化學反應若要造福于人類，就必須投入工業化生產，而工業化生產就不可避免地要考慮生產效率與效益。

（1）催化劑是提高生產效率最有力的手段

在化工生產中，我們一定會思考：如何選擇反應條件才能讓生產效率和效益達到最佳。就拿合成氨來說，影響合成氨反應速率的主要因素有濃度（壓強）、溫度、催化劑，它們對反應速率的影響結果如表2：

表中數據可以看出，物質濃度對反應速率的綜合級數為1.5，也就是說，物質濃度對化學反應速率的影響微乎其微，而在工業生產中，提高氣體濃度，就意味著提高壓強，意味要增加能耗及設備的抗壓成本，這對提高生產效率和效益意義并不大。從提高溫度角度而言，溫度從700K升高到800K，反應速率才提高3個數量級。但溫度升高100K，反應器的材質就必須提高二個檔次（一般溫度每升高50K，材質就要提高一個檔次），能耗也大幅度提高，從投入和產出的效益來看，升到更高的反應溫度，仍然是不可取的。但是在700K條件下，使用催化劑和沒有催化劑相比較，其反應速率常數增加了12個數量級，催化劑對反應速率的影響非常巨大，再加上催化劑成本相對低廉，它所帶來的收益遠遠不是其它因素可以比擬的。因此，使用催化劑是合成氨工藝必然的選擇。

合成氨最終選擇的反應條件為：以鐵觸媒作催化劑，壓強在20MPa-50MPa之間，溫度在500°C左右。其中之所以選擇500°c，不是因為在該溫度下生產成本與反應速率達成統一，也不是因為在該溫度下生產成本與平衡轉化率達成一致，而是因為在該溫度下，催化劑的活性最高。催化劑改變反應速率的高效能，讓催化劑理所當然地成為了生產實踐中首要考慮的因素。

控制化學反應的手段很多，但不同手段的成本與效果是不同的，也就是說，很多方法理論上或許可行，但實際上卻行不通。就如反應溫度、濃度、壓強等因素，理論上非常容易控制，但實際上卻受到諸多掣肘，當然催化劑也是如此，但單純考慮生產成本和反應速率的話，催化劑的確是最經濟、最有效的提效措施。為此，研究新型、高效催化劑是提升生產效益最科學、最有前途的方法之一。

（2）催化劑改變了化工生產的“產率”，從而提高了效益

盡管課本上反復強調，催化劑只能改變反應速率，而不能改變化學平衡常數，不能改變平衡轉化率。但在實際生產中，它卻是能改變“產率”的。在合成氨工藝中，從合成塔出來的反應氣體是沒有達到化學平衡狀態的，催化劑讓反應更接近化學平衡狀態，使得氨氣在產出氣體中占有了更高的比例。如圖6，t2是無催化劑條件達到平衡的時間，但實際生產的反應時間為t1。由于催化劑提高了反應速率，故而一定程度上提高了合成氨的原料轉化率。

再者催化劑具有選擇性，它的選擇性在實際生產中也能提高原料的轉化率。在選修4教材中，有這樣一句話：“對于在給定條件下反應物之間能夠同時發生多個反應的情況，理想的催化劑還可以大幅度提高目標產物在最終產物中的比率。”由于催化劑選擇性地加快了目標反應的速率，從而提高了目標反應在眾多副反應中的比率。目標產物增多，副產物減少，原料的利用率無疑就得到了提高。所以，催化劑雖然不能改變化學平衡常數，但并不意味著在實際生產中不能改變原料的轉化率。

這個事實告訴我們，化學理論與生產實踐有吻合的地方，但并不完全一致。化學理論所預設的各種前提條件畢竟不能囊括所有的實際因素，所以，學習化學理論，不能只是讀懂文字上的意思，更需要變通，最好能將化學理論置于實踐角度加以審視和理解，這樣才能更準確和全面地掌握化學理論的基本內涵。化學理論或許可以告訴我們實踐的方法和思路，但絕無法提供實踐的最終方案或結果。只有將知識與實踐充分融合，學習所獲才不是只有知識，而是更有力量的智慧與能力。

4.催化劑有助于學生深刻領會化學精神，樹立化學志向

催化劑讓很多反應從實驗室走進社會，走進人們的生活。如果沒有催化劑，合成氨也許至今還停留在科學家設計的圖紙上，人類可能至今還無法擺脫依靠天然氮肥的被動局面。可以說，催化劑改變了人類的歷史和進程，而且在將來會有更大的影響力。

（1）催化劑記錄著科學家奮斗的歷史，改變了人類的命運

哈伯與博施為了找到合成氨高效穩定的催化劑，在兩年的時問里，他們進行了6500多次實驗，測試了2500種不同的配方，最后才選定含鉛鎂促進劑的鐵催化劑。從而在1913年成功建立了年產7000t規模的合成氨工廠。合成氨的工業化生產，在人類歷史上具有劃時代的意義，從某種角度而言，它讓人類走出了食不果腹、衣不遮體的窘境。哈伯也因此被人們高度贊譽：“他是天使，他為人類帶來了豐收和喜悅，他是用空氣制造面包的圣人。”合成氨發展歷史給予我們三點啟示：一是催化劑的研究就如同其它科學研究一樣，要經歷無數次的實驗，也經歷了無數次的挫折和失敗，但科學家堅韌不拔、孜孜以求的科學精神，最終戰勝了一切而如愿以償;二是催化劑對人類有著非凡的意義，一個似乎并不起眼的鐵觸媒催化劑，卻是讓合成氨從夢想走進現實，徹底地改變了人類生存的狀態，即化學的“小”研究卻有大意義;三是投身化學事業，不僅能充分發揮個人才智，而且還能實現人生價值。或許人們對哈伯有褒貶不一的看法，但他確確實實是“解救世界糧食危機”的科學天使，是“用空氣制造面包”的圣人，人們必將永遠記住并感激他。在1920年，瑞典皇家科學院特意為哈伯舉行了諾貝爾化學獎的授獎儀式，盡管這是遲到的儀式，但它再次證明了人們是不會忘記為人類做出巨大貢獻的科學家的。

（2）催化劑研究需要更多有志之士參與

人教版九年級化學教材闡述了催化劑的重要性：“催化劑在化工生產中具有重要而廣泛的應用，生產化肥、農藥、多種化工原料等都要用到催化劑。”人教版高中必修2教材中，著重介紹了特殊催化劑——酶，并如是說：“催化劑的神奇面紗至今尚未完全揭開，因此，催化劑的研究和應用將是21世紀化學的一個極具魅力和應用前景的重大主題。”在人教版高中選修4教材中，又這樣說道：“在現代化學工業中催化劑的應用十分普遍，這方面的研究成果多次獲得諾貝爾化學獎。但遺憾的是，催化劑的設計和選擇，目前主要還是依靠經驗和篩選的方法。由于催化劑可以為化學工業帶來巨大的經濟效益，而且選擇性極高的酶的生物催化作用，有助于加深對生命過程的認識和模擬，所以催化劑作用的研究一直是受到高度重視的高科技領域。”從課本的描述中，我們可以體會得到，催化劑在工業生產和社會發展中，發揮著越來越重要的作用，但催化劑的研究還不夠完善，仍有很多空白領域，投身催化劑研究將大有可為。教材字里行間無不透露出對學子殷切的希望，希望學生能有志于催化劑方面的研究，以此實現人生的價值與意義。

三、基于催化劑概念教學的反思

核心素養的建構，是對“能力人”和“高尚人”的期望。教學要以超脫知識積累走向能力培養，就需要更深刻和全面地理順知識之來龍去脈，積極構建指向思維能力發展的知識呈現和接受方式，并充分挖掘知識背后的人文屬性，激發情感共鳴，喚醒責任意識和對生命價值的訴求，讓學生之于自己或之于社會都更有存在意義與價值。

縱觀每個化學概念的背后，其實都有一系列的事實和理論，反映著某些化學規律與規則，如科學家研究它的歷程和實踐應用它的故事。不管是概念本身，還是其生成的背景、形成的過程，以及實踐應用的事實，都有著不可忽視的教育價值，都是值得深入挖掘和探討的內容。具體說來，概念教學的基本思路有以下幾點：

（1）概念教學要厘清概念的內涵，并將概念置于化學知識體系中進行系統的呈現，概念不是化學知識中的孤島，而是一個樞紐，一個關鍵的節點，它可以讓學生建構的化學知識體系更加穩固。

（2）概念教學要結合實踐應用，概念不能是純粹和靜態的，而需要在實踐中彰顯它的價值，讀萬卷書，行萬里路，不只是學習的方式，更是檢驗、完善和發展概念的基本途徑。

（3）概念教學要重視概念生成的背景和發展的歷程，因為這些可以反映出人類文明進步的情況，概念的進化演變可以告誡學生，概念的學習必須要用審視和發展的眼光去看待，而不能將其固化，更不能固步自封，拒絕進步與改變。

（4）概念教學要展現概念研究的現狀和發展的前景。概念之所以得到傳承，就是因為它對人類發展有極其重要的作用，概念所涉及的理論、思想、技術與方法或許當前已經發揮出巨大的價值，但它絕對不是完美的，需要進一步發展和完善。因此，在科學文明與社會需求的召喚下，需要激勵學生責無旁貸地挺身而出。

（5）概念教學要重視科學家在此過程中多付出的努力和所獲得的成就。科學家對化學的研究和踐行，記錄著科學家們對科學的熱愛和執著，他們百折不饒的科學精神、恪盡職守的責任擔當、深刻厚重的家國情懷都非常值得師生效仿和發揚。