沈劍

摘要： 化學反應是存在歷程的，催化劑調控反應速率也是通過改變了反應歷程實現的。選用過氧化氫催化分解反應為例，以深度學習的方式探究均相和非均相兩類催化劑的催化過程。通過實驗與文獻分析，結合宏觀現象和微觀分析，將催化劑參與反應歷程這一事實可視化呈現，幫助學生理解這一抽象過程。同時通過模型構建和知識遷移，促進學生的學科認知和高階思維的層層進階。

關鍵詞： 反應歷程； 過氧化氫； 均相催化； 非均相催化

文章編號： 10056629（2023）07005705

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

深度學習指的是在原有知識基礎上，學習者能批判地接受新知識，并將前后進行有效整合，構建新的知識體系。并在知識遷移中不斷完善模型結構和內化認知思維［1］。將深度學習的思想滲透到課堂教學的過程有助于提高學生獨立思考、動手探究、問題解決的能力，促進他們的認知方式從淺層記憶轉向概念核心本質的高階發展。

1 主題分析

1.1 教學內容分析

催化劑是影響反應速率的重要因素之一，也是高中化學反應原理模塊中的重要內容。《普通高中化學課程標準（2017年版）》中對“化學反應速率和化學反應的調控”的要求為：知道化學反應是有歷程的，認識基元反應活化能對反應速率的影響。知道催化劑可以改變反應歷程，對調控反應速率具有重要的意義［2］。這也是新課標中首次將“化學反應歷程”“基元反應”等概念納入到高中化學教學中。高中教材上介紹催化劑改變反應速率是通過參與反應歷程，降低了反應的活化能，使得反應過程變得更加容易。然而在化學動力學的教學中，依舊更傾向于強調反應速率，而忽視了反應歷程的重要性。

1.2 教學背景分析

反應歷程屬于微觀和抽象概念，如果沒有具體的反應例子，學生很難理解化學反應并不都是直接一步轉化為產物，而是通過一定的路徑分多步進行。更不要說催化劑能夠改變反應歷程。因此該例子還需要具備簡單直觀等特征。筆者查閱人教版、蘇教版、魯科版三本教材在該章節都選用了過氧化氫催化分解實驗，但目的皆為探究催化劑對反應速率的影響。通過文獻調研發現，該反應在教學中的功能并不僅局限于驗證催化劑對反應速率的影響。

不少研究者發現該實驗中微小的異常現象。向明禮等［3， 4］發現并探究碘化鉀催化過氧化氫分解中的異常副反應，從側面證明了催化劑參與反應歷程。朱偉長［5］通過氨基羧酸鐵（Ⅲ）配合物催化分解過氧化氫實驗中溶液由紫紅色變為黃色的過程，說明催化劑參與反應并提出可能的機理。夏添［6］發現重鉻酸鉀催化過氧化氫過程中，溶液先變成棕褐色，隨著反應進行顏色逐漸變淺最終回到重鉻酸鉀的黃色。

本文通過學生實驗探究、文獻研究等手段讓學生學習、理解、分析、評價過氧化氫均相催化和非均相催化兩個過程，從宏觀現象和微觀過程兩個角度幫助學生理解催化劑參與反應歷程這一事實。

1.3 學情分析

該課程授課學段為浙江省高二年級，學生在此之前已經掌握了外因對反應速率的影響規律，也知道催化劑參與反應是通過降低反應活化能這一結論。同時通過高一必修階段的學習，學生也具備了一定的實驗操作和實驗探究能力。在認識化學反應上，一方面能夠通過宏觀和微觀兩個視角來分析物質變化和轉化；另一方面也能從反應歷程、反應速率視角分析反應原理。然而學生的學習僅僅只停留在淺層學習，缺乏對所學知識的深度理解，對開放性問題缺乏合理的思路和方法，無法將所學的知識遷移應用到新的情境中，難以構建完整的學科體系和學科思維。因此以高階思維為主導的深度學習顯得特別重要且更有意義。

2 教學目標確定

（1） 了解催化劑影響反應速率是通過改變反應歷程，并調節反應的活化能。同時從定量的角度深度學習催化劑增大過氧化氫分解速率的程度。

（2） 通過了解過氧化氫被催化分解的均相催化和非均相催化過程，建立新舊知識的關聯，為深度學習、深度探究、深度思考的思維建立生長點。

（3） 通過實驗與文獻研究分析，對均相催化和非均相催化過程中的宏觀現象和微觀反應歷程進行探析，深入認識化學反應的本質，培養分析問題、解決問題的能力。

（4） 通過總結歸納，建立認識催化劑參與反應歷程的認知模型，實現知識遷移。

3 深度學習教學任務及流程

基于教學主題分析，本文確定了以探究過氧化氫均相/非均相催化分解過程為情境的深度學習課堂教學，并設計了四個層層遞進的深度學習任務。通過教師創設情境，提供實驗現象、實驗數據、實驗文獻資料，引導學生從定性、定量、宏觀、微觀、建模等角度進行一系列深度學習的活動探究。學生通過合作提出假設、證據推斷、結論評價和總結歸納，進一步理解與遷移運用知識，也發展了“宏觀辨識與微觀探析”“證據推理與模型認知”“科學態度與社會責任”等化學學科核心素養。具體教學任務及流程如圖1所示。

4 深度學習教學任務實施過程

4.1 任務一：定量分析催化劑對反應速率的影響

［情境導入］教師實驗展示“大象牙膏”實驗。

［教師］大象牙膏的原理是過氧化氫、催化劑、發泡劑（洗發水等）混合時，短時間內產生大量氧氣，使泡沫噴涌而出。

［設疑］催化劑影響反應速率的原理是什么？并結合資料卡中的信息，思考如何定量速率的增加？

［資料卡］

資料卡：

阿倫尼烏斯公式：表示化學反應速率常數隨溫度變化關系的經驗公式

k=Ae-EaRT

其中k為速率常數，R為摩爾氣體常量，T為熱力學溫度，Ea為表觀活化能，A為指前因子（也稱頻率因子）

［學生］催化劑降低了反應的活化能，改變了反應歷程。根據圖2資料卡的信息，要定量速率的增加，必須要知道活化能的數據。

［數據提供］20℃時H2O2分解活化能：Ea1=75kJ/mol（未加催化劑）、Ea2=58kJ/mol（以MnO2催化為例）。

［學生作答展示］見圖3。

［設疑］大家所熟知的催化過氧化氫分解反應的催化劑種類有哪幾類？

4.2 任務二：探究過氧化氫均相催化分解過程

［教師］在大家列舉的催化劑中按照與過氧化氫的互溶性可以分為兩類。我們把與催化底物互溶的催化劑稱為均相催化劑，如FeCl3、 KI、 CuSO4等。而與催化底物不相溶的催化劑稱為非均相催化劑，如MnO2、 Fe2O3、 CuO等。

［設疑］上述均相催化劑在催化過氧化氫分解過程中除了產生氧氣速率增大還有什么其他的現象？我們既然說催化劑調控反應速率是參與反應改變了歷程。那么歷程改變了是否會出現特殊的現象？

［學生］催化劑確實能改變反應歷程，但如果組成該反應的多步基元反應路徑都是快反應，那也很難看到特殊現象。實驗是檢驗化學真理的手段，必須進行實驗驗證。

［實驗操作及現象］分別吸取15mL 15%的過氧化氫溶液和15mL蒸餾水（對照組）加到兩塊表面皿中。然后分別往里面加入2mL 5%的氯化鐵溶液（黃色）。實驗現象見圖4。

［設疑］根據實驗現象中顏色的改變能說明什么問題？

［學生1］過氧化氫溶液中滴加氯化鐵溶液的顏色變為深琥珀色，但此時并無氣泡產生，說明形成了琥珀色中間體。隨著反應進行，溶液顏色加深并逐漸產生大量氣泡。溶液顏色最深時，氣泡產生的速率也最快。

此時說明琥珀色中間體可能開始發生分解反應產生氧氣，同時產生顏色更深的物質。最終隨著氣泡產生的停止，溶液的顏色重新回到三價鐵離子顏色與對照組相同。整個實驗過程證明了催化劑參與了反應，并存在多步基元反應的歷程。

［學生2］顏色的改變不足以作為改變反應歷程的證據，因為無法檢測到中間體的存在。

［教師］通過查閱文獻，目前認為氯化鐵催化過氧化氫分解機理可能是通過下述（見圖5）類芬頓自由基的過程［7］。

［學生］三價鐵離子的水解階段溶液中產生的微粒共同組成了我們所看到的三價鐵水溶液的顏色。而從引發階段產生的三價鐵的過渡絡合離子中間體來看，可能的顏色變化來自［FeⅢ（HO2）］2+、 ［FeⅢ（OH）（HO2）］+

水解階段：

Fe3++H2OFeOH2++H+

Fe3++2H2OFeO2H+2+2H+

2Fe3++2H2OFe2（OH）4+2+2H+

類芬頓（Fentou）引發階段：

Fe3++H2O2FeⅢ（HO2）2++H+

FeOH2++H2O2FeⅢ（OH）（HO2）++H+

FeⅢ（HO2）2+Fe2++O-2·+H+

FeⅢ（OH）（HO2）+Fe2++O-2·+H2O

芬頓反應階段：

Fe2++H2O2Fe3++·OH+OH-

O-2·+·OHO2+OH-

這些中間體的顏色。因此結合反應機理和反應現象能夠說明催化劑確實參與了反應歷程。至于催化劑直接降低了哪一步的活化能還需要查閱更多文獻。

［學生歸納并評價］均相催化劑與反應物在同一相中接觸并參與反應，改變反應歷程將反應分為多步。降低了反應的活化能。雖然導致反應路徑增加，但總的結果是增大了反應速率。優點：催化劑與底物處于同一相能有效地增大接觸面積，少量催化劑即可達到催化效果。缺點：反應后難以分離回收，不利于催化劑的重復利用。

4.3 任務三：探究過氧化氫非均相催化分解過程

［設疑］二氧化錳屬于過氧化氫的非均相催化劑，回憶二氧化錳加到過氧化氫溶液中與上述均相催化過程是否一致？

［學生］非均相催化實驗在宏觀上可觀察到氣泡是在催化劑表面產生而非整個溶液體系。同時并無均相催化過程中那樣豐富的顏色轉變。

［學生］唯一能猜測的是催化過程可能在催化劑的表面進行，如果能夠觀測到催化劑表面的微觀過程那么就能了解催化劑是否參與了反應。

［教師］通過查閱文獻，科學家們研究發現，過氧化氫在Pd（鈀）催化劑表面的微觀過程見圖6［8］。

［設疑］根據圖6，分析梳理過氧化氫在Pd表面的催化過程。

［學生］首先步驟1游離的過氧化氫分子被催化劑的表面吸附，這種吸附作用剛開始可能是物理吸附，但隨著過氧化氫的兩個氧原子都被吸附后，氧原子之間的過氧鍵被削弱，而催化劑表面與氧原子開始形成以化學鍵為基礎的化學吸附。緊接著步驟2～4過氧化氫分子在催化劑的表面發生反應最終產生O*。重復步驟14產生另一個自由基O*，隨著兩個自由基O*相互成鍵形成O*2， O*與催化劑表面的化學吸附逐漸轉化為物理吸附。最后經過步驟6脫附過程，擴散離開催化劑表面完成整個反應。

［追疑］根據反應過程的能量變化（見圖7），找出該催化過程的決速步驟，并分析原因。

［學生］兩個H2O*2在催化劑表面形2個OH*的過程為反應的決速步。（1）從相對能量的角度：該過程反應的相對能量最大。（2）從圖6的反應歷程來看，一個H2O2只能在催化劑表面形成一個O*自由基，而形成的O*自由基會占據催化劑表面的位點，同時生成的O*2也占據著催化劑表面的位點。因此導致H2O2與催化劑的吸附過程變緩慢，進而解離生成OH*的過程變得更慢。

［學生歸納并評價］非均相催化過程在催化劑表面發生反應。反應歷程經歷（1）底物擴散至催化劑表面；（2）催化劑與底物吸附；（3）催化劑表面反應；（4）產物與催化劑解離；（5）產物的擴散等步驟。優點：非均相催化劑與底物處于不同相，容易實現催化劑的回收利用。缺點：固相表面積有限、易產生副反應。

4.4 任務四：模型構建—知識遷移

［引入新情境］參照過氧化氫催化分解過程對合成氨的催化過程作分析。

［學生模型建構］詳見圖8。

［學生課后任務］收集資料并分析合成氨表面催化過程機理。

5 教學效果與反思

5.1 教學效果

本教學案例以發展學生的高階思維為核心，指向知識遷移的深度學習。通過宏觀微觀角度重新探尋過氧化氫催化分解過程，深入認識催化劑參與反應歷程的本質。首先通過引導學生觀察過氧化氫催化分解中的顏色變化現象，提出催化劑參與反應歷程形成中間體的猜想假設；然后根據文獻報道中的機理驗證猜想，發展學生嚴謹的科學探究思維；再通過非均相催化過程與均相催化過程的現象差異，引導學生探究非均相催化劑參與反應的微觀歷程；

最后通過建立催化劑參與反應歷程的認識模型，實現從特殊到一般的辯證認識的深度學習過程。學生在整個學習過程中學習像科學家那樣思考問題、研究問題和解決問題。實現學生化學學科思維從觀察宏觀現象到思考微觀本質再上升到形成原理和理論的層層遞進。

5.2 教學反思

要實現學生的深度學習，教師必須先要深度選材、深度備課才能有深度教學。本文選取過氧化氫催化分解實驗作為知識的載體原因有兩點：（1）過氧化氫分解實驗學生比較熟悉，在看到伴隨顏色變化的現象和自己認為的只有氣泡產生加快的現象發生沖突時，引發了學生強烈的探究興趣；（2）過氧化氫催化分解實驗，教師要比學生更加熟悉，反應雖然簡單，但對原理的研究一直在持續更新報道。因此教學設計的過程，也是授課者深度研究、深度挖掘、深度思考、深度反思、深度總結的過程。

參考文獻：

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