高中化学“催化剂对反应速率的影响”的教学探讨

曾玭

摘要：从高中化学教材中“催化剂对反应速率的影响”的实验及科学探究内容出发，结合作者的教学体会，对本章节的实验及其教学过程等进行探讨，分享有关教学经验，并就本知识点做相应的深入与拓展。

关键词：催化剂；反应速率；双氧水；实验；教学

文章编号：1008-0546（2017）05-0060-03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2017.05.019

化学反应速率是化学反应的一个非常重要的特征参数，它反映了化学反应过程的快慢，影响因素包括反应物本身的内在性质及浓度、温度、压强、搅拌速度、催化剂、光照等外界条件。催化剂由于它的高活性与高效率，可有效提高化学反应速率。我国普通高中化学课程标准对“催化化学”内容做了如下要求：（1）认识催化剂的研制对促进化学工业发展的重大意义；（2）通过实验探究催化剂对化学反应速率的影响，认识其一般规律；（3）通过催化剂实际应用的示例，认识其在生产、生活和科学研究领域的重大作用。高中化学教材中安排了专门的章节来讲述“催化剂对反应速率的影响”。以笔者所使用的2007年人教版普通高中化学教材为例，选修4《化学反应原理》第二章 “化学反应速率和化学平衡” 第四节“催化剂对反应速率的影响”主要是通过“二氧化锰催化双氧水的分解” 实验及科学探究来阐述催化剂对反应速率的影响。下面就本章节内容及教学体会做简单探讨。

一、“二氧化錳催化双氧水的分解” 实验的教学探讨

教材中有关“二氧化锰催化双氧水的分解” 实验过程的描述为“锥形瓶内盛有10 mL左右10%的H2O2，双孔胶塞上插有短导管和漏斗，短导管里插有带余烬的木条。开始时余烬没有明显变化，经漏斗向锥形瓶内加入少量MnO2后，锥形瓶中迅速产生大量气泡，余烬复燃。”实验装置如图1所示。

教学探讨：

1、本实验对加入的MnO2催化剂用量以“少量”进行表述，即定性而非定量。尽管教材未明确本实验需加入具体多少质量的MnO2，但笔者认为教师在教学实践尤其是学生分组实验中应明确告知学生在加入MnO2时，须严格遵守“少量”的操作要求（比如1/2小勺或1小勺），因为该实验背后暗藏了一定的实验危险，教材并未对此做出提示。从图1可知，该实验装置的密封性设计较好，主要出气口为漏斗管口。如果一次性加入大量MnO2，由于H2O2的快速分解产生大量O2，锥形瓶内的气压将迅速增大，可能造成尚未来得及进入锥形瓶而残留在漏斗中的MnO2粉末向外喷出，危及实验人员安全，更严重的可能造成锥形瓶炸裂。因此，教师应在学生实验前，将其中的风险说明清楚，使学生不致因MnO2未明确具体添加量而过多加入造成实验危险。另一方面，也可以向学生表明，MnO2对H2O2的分解具有良好的催化效果，无需加入过多。

2、MnO2催化H2O2分解的原因解释。本实验通过不加MnO2分解H2O2与加MnO2分解H2O2的对照实验，让学生了解到MnO2能够作为H2O2分解的催化剂，起到加快反应速率的作用。在“MnO2为什么能够催化H2O2分解”的原因解释时，教材是这样描述的：“催化剂能加快反应速率，是因为它能改变反应的路径，使发生反应所需的活化能降低。如图2所示，图中实线和虚线分别表示无催化剂和有催化剂的反应过程中，反应物和生成物的能量与活化能的关系。显然，有催化剂时反应的活化能E2比无催化剂时反应的活化能E1降低了很多，这样一来，就使反应体系中含有的活化分子百分数提高，从而使有效碰撞的几率提高，反应速率增大”。教材通过“活化能”的概念对催化剂的作用进行了阐述，在教学实践中，很多学生反映“活化能”的概念比较抽象，难以理解为何活化能降低了，反应速率就会加快。为此，笔者将有催化与无催化的反应过程与爬山进行类比，降低了理解难度，学生对知识点的理解消化也更轻松。如图2所示，笔者将H2O2的分解反应过程比作爬山，起点与终点都相同，区别仅在于爬山的路线不同。活化能代表山坡的海拔高度，无催化反应的活化能E1大于有催化反应的活化能E2，即经“无催化路线（图2中实线）”爬山的爬坡高度要大于“有催化路线（图2中虚线）”爬山的爬坡高度。日常生活经验告诉我们，爬矮山的难度显然比爬高山的难度小很多，所需时间也更短。这样一来，学生就非常容易地理解了有催化剂时的反应比无催化剂时的反应更快，即催化剂可以改变反应路径，加快反应速率。

二、 科学探究案例分析与教学探讨

教材在本章节共选取了三个科学探究案例来进一步探究催化剂对化学反应速率的影响，分别是：（1） 利用氯化铁和硫酸铜溶液催化过氧化氢分解反应；（2）利用硫酸锰催化高锰酸钾与草酸溶液反应；（3）利用硫酸溶液和唾液催化淀粉与碘水反应。

案例1：在两支试管中分别加入2mL 5% H2O2溶液，再向H2O2溶液中分别滴入0.1mol/L FeCl3和

CuSO4溶液各1mL，摇匀，比较H2O2的分解速率。

案例2：在两支试管中各加入4mL 0.01mol/L KMnO4酸性溶液和2mL 0.1mol/L H2C2O4溶液；再向其中一只试管中加入一粒黄豆大的MnSO4固体。摇匀，记录溶液褪色所需时间。

案例3：取两支试管，各加入5mL淀粉溶液和2滴碘水，然后向其中一支试管中加入1mL 2mol/L的H2SO4溶液（必要时可加热①）；向另一支试管中加入1mL唾液，振荡。观察、比较硫酸溶液、唾液对淀粉水解的催化效果。（①加热时颜色变浅，冷却后会恢复原来的颜色）

通过以上三组科学探究案例，学生可在“MnO2催化H2O2的分解”实验基础上进一步加深对催化剂的理解，尤其是对“催化剂对反应速率的影响”的理解与掌握。在教学实践中，笔者发现上述科学探究实验尚不能十分严谨、全面地阐述相关问题，存在一定的改进空间。在科学探究案例1中，原方案通过分别添加FeCl3与CuSO4的两组对照实验来说明“同一个反应可以有多种催化剂，但是不同催化剂对同一化学反应的催化效果不同”。建议在该方案中增加一个不添加催化剂的对照实验，实验的效果及说服力可能会更好。即增加一支试管，往其中加入2 mL 5% H2O2溶液，但不再添加任何催化剂。通过3支试管的平行对比实验，学生可以更直观、更清晰地同时观察到不加催化剂、添加CuSO4与添加FeCl3的3支试管冒气泡的速率依次更快，且添加CuSO4与FeCl3的试管冒气泡速率明显比未添加的试管快很多。这样一来就可以更容易得到“FeCl3与CuSO4都可以作为H2O2分解的催化剂，且FeCl3的催化效果优于CuSO4”的结论，即“催化剂可以明显加速化学反应速率，同一反应可以由不同催化剂进行催化，但它们的催化效果不同，也就是说催化剂具有选择性”。

科学探究案例2主要说明了“Mn2+对KMnO4的氧化作用具有催化功能”。为了加深学生对催化知识的掌握并作相应拓展，在教学实践中，笔者将该案例与“MnO2催化H2O2的分解”实验结合起来向学生进行讲解，并设计了两组对照实验：（1）向10mL左右10%的H2O2溶液的锥形瓶中加入少量MnSO4（实验装置与图1相同）；（2） 向装有4mL 0.01mol/L KMnO4酸性溶液和2mL 0.1mol/L H2C2O4溶液的试管中加入少量MnO2粉末。通过实验观察可发现：（1）加入MnSO4的H2O2溶液并无显著的气泡产生，余烬也未复燃；（2） 加入MnO2的试管溶液颜色并未快速褪去。实验结果表明，MnO2在H2O2的分解中能起到加速分解反应的催化作用，但MnSO4却不起显著催化H2O2分解的作用；MnSO4可以催化KMnO4与H2C2O4的反应，MnO2却不可以，说明本反应中起催化作用的是Mn2+（MnSO4易溶于水，MnO2不溶于水）。通过上述补充实验及结果的观察，向学生阐述“虽然MnSO4与MnO2都是锰的化合物，但在反应中起催化作用的有效成分不同，未必都能对同一反应起到催化作用”。

对于案例3，笔者在教学实践中主要从两个方面对学生进行教学与引导，一是将教材中的备注内容解释清楚；二是从生物催化剂与无机催化剂的对比角度进行讲解。教材在案例3中有“必要时可以加热，加热时颜色变浅，冷却后恢复原来的颜色”的备注。教学中应引导学生主动思考该备注背后的原因，即为何加热时颜色变浅，冷却后恢复原来的颜色？在学生思考讨论完后，再对该现象加以解释：在淀粉溶液中滴加碘水，溶液显蓝色，这是淀粉与碘通过包合作用形成的螺旋状包合物所致。对该蓝色溶液加热，由于温度的上升导致I2在水溶液中的可逆歧化反应（I2 + H2O H+ + I- + HIO）平衡右移，I2浓度快速降低，当I2浓度低于最低显色浓度时，就表现为溶液的蓝色快速褪去；当褪色后的溶液冷却时，由于温度下降导致I2在水溶液中的歧化反应平衡左移，I2浓度不断增大，当I2浓度高于最低显色浓度时，溶液重现蓝色。此外，在该案例实验中，通过实验可以观察到唾液对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剂——淀粉酶。淀粉酶属于生物催化剂，与无机催化剂相比具有更高效的催化活性，同时也具有很高的选择性。通过生物催化剂概念的引入，可以加强学生对生命过程的认知。简而言之，在科学探究3个案例的教学实践中，笔者对教材内容加以适当的补充、拓展，使学生更加清晰、全面地理解、掌握有关“催化剂对反应速率的影响”的知识点，即：催化剂能加快反应速率，但不同催化剂的催化效果不同，选用适当的催化剂是改变化学反应速率的有效方法之一。

三、 催化剂知识点的习题巩固与教学探讨

为巩固本章节有关催化剂的知识点，教材在本章节后设计了一道有关催化剂的习题：NO和CO都是汽车尾气中的有害物质，它们能缓慢地起反应，反应化学方程式为2CO + 2NO N2 + 2CO2，为了控制大气污染，提出下列建议：A. 使用催化剂；B. 改变压强；C.提高反应温度。认为可行的方法是 ，理由是 。

笔者在教学实践中让学生独立完成该习题，从学生的回答中可以了解学生对催化剂知识点的掌握程度，然后在此基础上对知识点进一步加以拓展。汽车尾气处理问题不仅是一个科学技术问题，也是一个关注度很高的社会问题。笔者在课堂上结合德国大众汽车的“排放门”事件的新闻报道（2015年9月，德国大众汽车公司被曝出汽车尾气检测造假丑闻，部分柴油车存在使用操控软件躲避尾气检测的情况。软件可以识别汽车是否处于被检测状态，继而在车检时秘密启动，调控所排放的尾气。这样一来，它们在车检时能以“高环保标准”过关，而在平时行驶时却超标排放污染物），综合讲解汽车尾气处理中的催化问题。采用情景教学法从新闻报道的角度切入话题，向学生阐明汽车尾气排放的处理的重要性及技术难度（否则大众汽车公司也不会冒高风险进行造假）。汽车尾气处理目前最有效的方法是利用催化剂加速CO、NO等有害气体的反应与去除，其中的机理比较复杂。一般认为，CO的去除主要基于以下机理：CO + ？鄢 → CO？鄢；O2 +2？鄢 → 2O？鄢；CO？鄢 + O？鄢 → CO2+ 2？鄢（？鄢代表催化剂的活性中心）。催化净化NO的机理是：吸附在催化剂上的NO分解出一个氮原子和氧原子，氮原子或彼此结合形成N2，或与另一个吸附的NO结合形成N2O，氧原子留在催化剂表面，与吸附的CO反应生成CO2。用催化的方法净化尾气是直接将尾气转化为无害物，既避免吸收、吸附等净化方法可能产生的二次污染，又使操作过程得到简化，因而日益受到重视。遗憾的是，目前的催化剂并不能完全将尾气处理干净，尚需要大量研究工作去开发新型高效的尾气处理催化剂。这样的教学可以激发学生对催化知识点的强烈学习兴趣，引导学生在课外进一步深入了解催化剂与催化化学的知识。

四、结论

本文在“催化剂对反应速率的影响”这一章节的教材内容及其教学目标等基础上，结合个人教学实践，对本知识点进行了比较深入细致的分析、拓展与探讨。鉴于催化反应的抽象性，对于催化剂作用的本质机理往往很难用直观的化学方程式表达出来。因此，笔者认为在实际教学过程中，教师对于催化剂知识的讲解应尽量结合实验来开展，在教材的实验设计基础上可以进行相应的补充与拓展，使有关实验得到的结论更加科学合理。同时，在催化剂的应用案例方面，应更加贴近时代和生活，让学生体验和认识到化学科学对人类生活的真实影响以及化学知识的实用性。此外，还应注重从学生认知规律的角度出发，创设更多真实情境或生活实例来呈现催化剂或催化反应的内容，使學生对知识的认识从感性逐渐上升到理性。

参考文献

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