“多角度认识催化剂”高三复习教学

邱磊 武衍杰

摘要“催化剂”概念蕴含着培养学生“宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知”等学科核心素养的价值，既是高中化学教学的重点，又是高考的热点。基于学生对“催化剂”概念的理解现状及教学研究现状，开展“多角度认识催化剂”高三一轮复习教学。设置了“基于物质变化辨识催化剂”、“基于能量变化理解催化剂”、“基于途径变化探析催化剂”等三个递进性任务，并跟进基于问题解决的远迁移评价活动，在促进“教、学、评一体化”的同时构建催化剂多角度认识模型。

关键词催化剂；认识角度；物质变化；能量变化；途径变化；高三复习

1问题提出

1.1多角度认识催化剂既是新课标要求又是高考热点

催化剂及催化反应的研究在工业生产中具有重要意义。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）对“催化剂”的内容要求包括：（1）通过实验探究，了解催化剂对化学反应速率的影响；（2）知道化学反应是有历程的，认识基元反应活化能对化学反应速率的影响；（3）知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义。学业要求为：能运用催化剂对化学反应速率的影响规律解释生产、生活、实验室中的实际问题，能讨论化学反应条件的选择和优化^[1]。通过对近五年高考试题的统计分析（表1）发现催化剂内容的考查角度与新课标基本契合：（1）催化剂基本性质及特点；（2）催化剂与活化能的联系；（3）催化剂参与下的反应机理分析等。可见多角度认识催化剂既是新课标要求又是高考热点。

1.2学生对催化剂概念缺乏结构化理解

相比于初中段“催化剂在反应前后质量、性质不变”的浅显认识，高中段认识要求明显提高。但通过访谈发现，学生对催化剂的理解还存在“浅表化、散点式”的问题。如学生提到“催化剂的内容感觉简单，但是跟能量、图像、转化率牵扯在一起，就不知道怎么办了”、“催化剂从初中就开始学习，熟悉又陌生，题目总是千奇百怪”。造成上述问题的重要原因在于高中阶段催化剂内容分散，高三复习阶段，往往又就题论题，不利于学生形成关联性认知。要达成学生对催化剂概念的结构化理解，高三一轮复习教学中必须有意识整合催化剂相关内容，从不同角度重新建构对催化剂的系统认识。

1.3催化剂教学研究现状分析

通过文献检索，有关催化剂的研究主要包括基于催化剂的实验探究和改进及特定角度下认识催化剂的教学设计等。如实验探究和改进方面：有研究者基于特定反应选择不同种类的催化剂进行实验效果的比较与分析^[2-4]；也有研究者尝试采用新型催化剂改进传统实验中催化效果不佳的问题^[5-6]。再如教学设计研究方面：通过安排教学实验，优化教学环节，开展催化剂对化学反应速率影响的教学^[7-8]；在探查学生对催化剂已有认知基础上的改进教学^[9]；从微观视角丰富对催化剂认识的教学^[10-11]。可见针对催化剂的教学研究虽然主题丰富但认识视角单一，特别是在高三一轮复习中多角度建构催化剂认识模型的的文献几乎没有。

2 催化剂多角度认识模型

IUPAC（国际纯粹与应用化学联合会）对于催化剂的定义：催化剂是能够加快化学反应速率但不改变标准吉布斯自由能的物质，催化剂既是反应的反应物也是产物^[12]。可见催化剂“参与化学反应、改变反应途径、降低反应的活化能、加快化学反应速率”^[13]。尝试从物质变化、能量变化、途径变化等角度建构催化剂多角度认识模型。

2.1 物质变化视角

如何理解“催化剂既是反应物也是产物”？对于反应A+B→ AB，K为该反应催化剂，反应过程可假设为A+K→AK、AK+B→ AB+K^[14] 。K作为反应物参与了第一步反应，随后又经过第二步反应生成，既是反应物又是生成物。除少数自催化现象外，大部分催化剂都是外加的，外加物质随着反应消耗又生成，这样的物质就是催化剂。因此基于催化剂在反应中经历“催化剂-中间体-催化剂”的转变过程，可辨识化学反应的催化剂。

2.2能量变化视角

化学反应的发生需要分子间有效碰撞，而能够发生有效碰撞的分子必须具有足够的能量，称作活化分子。活化分子具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量之差叫做活化能。催化剂能够降低反应的活化能，使更多的反应物分子变成过渡态分子，加快反应速率。借助阿伦尼乌斯公式可知活化能的降低对反应速率的提升是指数性增长。从能量视角理解化学反应历程即“反应物--过渡态--生成物”，表明对催化劑的认识已从宏观层面上升到微观层面。

2.3途径变化视角

催化剂能降低反应的活化能是因为改变了反应途径，至于具体改变的途径如何，对大部分催化反应来说，了解得还很有限^[14]。但对多相催化来说，其反应途径一般经历“扩散-吸附-表面反应-脱附”等阶段。如图1的工业合成氨历程为：（1）N₂和H₂吸附至固体催化剂的表面形成吸附化学键；（2）在吸附化学键影响下，N₂和H₂断键，在催化剂表面逐步形成N-H键，合成NH₃；（3）NH₃脱离表面活性中心。^[15]在多相催化中，催化剂的关键在于对反应物分子化学键的影响（如催化合成氨过程中，因吸附化学键的影响，降低了分子断键的活化能），从键的断裂和形成角度认识催化剂实质上就将对化学反应的认识从“总包反应”拓展到“基元反应”，因此从途径变化角度探析催化剂赋予了学生从基元反应视角对化学反应进行更精准的调控和优化的能力。

“辨识催化剂—理解催化剂—探析催化剂”反映了对化学反应从宏观到微观认识水平的提升。其中能量变化视角引入了“活化能”概念，建立了能量与化学反应速率的关联，是对物质变化视角下催化剂作用的微观解释，途径变化视角对催化剂的认识上升到微观机理层面，赋予学生调控化学反应的基元反应视角。三个角度，互相关联，逐级递进，其关系如图2。

3教学目标

（1）通过分析H₂O₂催化分解过程中Fe³⁺的作用，从物质变化的角度形成辨识催化剂的方法，并通过“CO₂转化为炭黑”、“处理氮氧化物”等反应过程进行迁移应用；

（2）通过I^-催化H₂O₂分解“能量-反应过程”示意图，能基于能量视角解释催化剂加快反应速率的原因；通过符号表征与曲线表征之间的转化，培养对不同表征形式的理解和转化能力；

（3）通过工业合成氨过程中催化机理分析，提升从化学平衡（宏观）及化学反应机理（微观）角度对催化剂的认知，建构基于“物质变化-能量变化-途径变化”认识催化剂的认知模型；

（4）在课堂推进中感悟催化剂的作用，体会化学科学对工业发展的价值。

4教学流程

基于不同角度下催化剂认识模型，设置图3所示的递进性任务，借助多个真实情境串联教学环节，开展“找”催化剂、“画”示意图、“读”拓展材料等多类活动，并设置即时评价任务，促进“教、学、评”一体化，形成对催化剂的系统认识。

5教学实施

5.1 基于物质变化辨识催化剂

【主题情境5.1.1】Fe³⁺催化H₂O₂分解涉及的反应包括总反应：2H₂O₂⁼⁼⁼⁼O₂↑ + 2H₂O，  第一步反应：2Fe³⁺+ H₂O₂⁼⁼⁼⁼2Fe²⁺+ O₂+ 2H⁺

[问题1]把第二步反应补充完整，并思考催化剂有没有参与该反应？什么是催化剂？

[学生回答]第二步反应：2Fe²⁺+ H₂O₂+ 2H⁺⁼⁼⁼⁼2Fe³⁺+ 2H₂O。催化剂参与了化学反应，它能够加快化学反应速率，但自身的质量和化学性质在反应前后不变。

[问题2]有研究者描述催化剂既是反应物又是生成物，如何理解？

[学生回答] Fe³⁺作为反应物参与了第一步反应，然后经过后续的反应又生成了。

【主题情境5.1.2】CO₂转化为炭黑回收利用的转化图（图4）。

[问题3]这一过程中哪种物质作催化剂？怎么辨别？

[教师总结]催化循环图中，根据箭头指向，流入循环图的是反应物，流出循环图的是生成物，催化剂和中间产物虽然都可以循环再生，但催化剂是首先和反应物反应的物质。

【评价任务5.1】观察处理NO_x的轉化过程（图5），找出该过程中的催化剂。

[学生回答]催化剂是Cu⁺。Cu⁺首先作为反应物与O₂反应，参与反应，随后又生成。

5.2 基于能量变化理解催化剂

【主题情境5.2】H₂O₂分解反应：2H₂O₂（l）⁼⁼⁼⁼O₂（g）+ 2H₂O（l），△H= ─ 98kJ·mol^-1。在I^-的催化作用下，催化过程分两步完成：①H₂O₂+ I^-====H₂O + IO^-；②H₂O₂+ IO^-====H₂O + I^-+ O₂，其中第一步的△H > 0，反应速率较慢，第二步反应的△H < 0，反应速率较快。

[问题1] 结合信息，画出H₂O₂分解过程中有、无催化剂两种情况下的“能量—反应过程”图。

[学生活动]依据情境信息，画出图6。

[问题2]制图需要注意哪些问题？

[学生回答]总反应是放热，所以反应物位置在上，生成物在下；加入催化剂后，活化能降低，且分成了两步进行，应画出两个峰；反应①速率慢，活化能要大一些；反应②速率快，活化能小一些；催化剂并不改变反应的焓变，所以两条曲线的起点和终点一样。

[教师总结]总结出催化剂特点（图7）：

[问题1] 观察图8合成氨过程中的“能量-反应历程”示意图，思考：①哪一步是合成氨的决速步骤？③从化学键角度分析为什么该步速率最慢？（吸附在催化剂表面上的物质用*表示；虚线表示未加催化剂，实线表示加催化剂）

[学生讨论]决速步骤为N₂^*====2N^*，因为这一步反应的活化能最高；该步骤为氮氮三键断开，因其键能较大，所以反应速率较慢。

[资料卡片]合成氨反应在某催化剂表面的具体行为也可由图1表示，其过程为 （1） N₂、H₂扩散至固体催化剂的表面并吸附在活性中心上；（2）活性中心有强烈的吸附作用，使得N₂、H₂的化学键更容易断开；（3）在一定催化剂表面上，活性中心的数目是有限的，N₂、H₂会竞争活性中心的位置；（4）N、H逐步形成N-H键；（5）合成NH₃后，脱离活性中心，扩散离开。

[问题2]阅读资料，交流讨论，思考：

①生产中，通入V（N₂）和V（H₂）的比例并不是1：3，而是1： 2.8，请从平衡及速率两个角度解释原因。

②合成氨过程中，会不断将生成的NH₃液化移去，说明该操作的理由。

③反应的最佳温度（773K）远高于室温，思考选择这一温度的原因。

[学生讨论]从平衡角度来看，N₂适度过量有利于提高H₂的转化率，从速率角度考虑，N₂的断键是决速步骤，N₂稍多一些，能占据更多的活性中心，断键更容易，反应速率更快；将NH₃移去，有利于反应正向进行，且空出活性中心，便于N₂的吸附；合成氨是放热反应，降温有利于平衡正向移动，但温度过低会降低化学反应速率，综合考虑，选择773K。

[教师过渡]催化剂对化学反应速率的提高可达上万亿倍，选择合适的催化剂是提高生产效率的最适宜途径，研制适宜的催化剂往往是工业生产中最为重要的工作。

【评价任务5.3】为克服合成氨面临的速率—平衡两难问题，我国研制了Ti-H-Fe双温区催化剂（Ti-H区域和Fe区域的温差可超过100℃），其反应历程如图9。解释说明双温区催化剂的优点。

[学生回答]断键过程在高温区进行，成键过程在低温区进行，即保证了化学反应速率较快，又保证了化学反应的限度。

5.4 课堂小结

本节课从物质变化、能量变化、途径变化三个角度切入，借助不同主题情境，形成对于催化剂全面认知，具体概念图如图10。

6教学实践效果及反思

从教学实践来看，多角度认识催化剂极大提高了学生学习兴趣。为进一步检验教学效果，将图9所示催化历程改编为指向三种不同认识角度的问题。例如在能量变化角度：催化历程中的决速步骤是哪一步，请解释原因；在途径变化角度：五步转化中，具体哪些在低温区进行，哪些在高温区进行，未来催化剂的研究方向如何？测试目标分别为检验学生是否能将活化能与化学反应速率建立关联及是否能在理解催化剂作用的基础上进行反应条件的调控。通过对50位同学的作答情况进行分析，发现85%以上同学在前两个角度的作答情况良好，在途径变化角度的题目作答中，有60%的同学能够考虑到温度对化学反应速率及化学反应限度的综合影响，提出未来要开发低温催化效果好、能进一步降低决速步骤活化能的催化剂。可见经过本节课教学，学生能够较好地在物质变化角度和能量变化角度实现对催化剂的理解，在途径变化角度激发了创新意识。课后，通过与听课教师的讨论，对本节课也做了思考：（1）催化机理的内容对一些同学的思维要求较高，出现了在不同风格班级上课效果相差较大的情况，如何改进教学设计并在课堂中实时根据学生的反馈进行新的生成需要继续思考；（2）催化剂的教学内容相对来说较为独立，但其与化学反应原理知识密切相关，如何将对催化剂的系统认识分布在其他原理知识的教学过程中，是后续改进的关键。

参考文献

[1]  中华人民共和国教育部.普通高中化学课程标准（2017年版）（S）.北京：人民教育出版社，2018：31-33.[2]  朱正德. 用氯酸钾制氧中催化剂代用品探究[J].中学化学教学参考， 2017， 4： 52-54.