大学化学课程中化学动力学的理论与实践相结合的教学模式探索—以阿伦尼乌斯公式与催化剂应用为例

＊董媛 杨明

（中国地质大学（武汉）材料与化学学院 湖北 430074）

化学动力学是研究化学反应速率和反应机理的科学领域。化学反应速率是指单位时间内反应物消耗或生成物产生的数量。速率可以通过测量反应物浓度或生成物浓度的变化来确定。速率常数表示单位时间内反应速率与反应物浓度之间的关系，其大小反映了反应的快慢。此外，化学动力学还探索了反应的活化能，即反应需要克服的能垒。掌握化学动力学的基本概念和原理有助于更好地理解和控制化学反应，从而促进科学和工业领域的发展[1]。事实上，传统大学化学授课更为侧重概念和原理等基础教学，教材中有应用实例但无法及时反映现阶段最新研究进展。理论与实践相结合的教学新模式可实现理论教学与实践分析的有机融合，最大程度调动学生的积极性，引导学生开展自主学习。本文以反应动力学中阿伦尼乌斯公式与催化剂应用探索为例，探讨了理论与实践相结合的教学模式应用方法及特点。

1.阿伦尼乌斯公式与催化剂教学知识点解析

(1)阿伦尼乌斯公式的解析与应用分析

阿伦尼乌斯公式是由瑞典化学家阿伦尼乌斯在总结了大量实验结果的基础上提出来的，是化学动力学中用于描述化学反应速率与温度之间的重要公式。阿伦尼乌斯对化学和物理学领域做出了重要的贡献。阿伦尼乌斯的科学精神对当代大学生学习有众多启发：①坚持不懈：阿伦尼乌斯的研究过程中充满了挑战和困难，但他始终坚持不懈地追求科学真理。这激励着当代大学生在学习中遇到困难时要持之以恒，勇往直前。②跨学科思维：阿伦尼乌斯的研究跨越了多个学科领域，启发了当代大学生要培养跨学科的思维能力，将不同学科的知识和方法结合起来解决问题。③创新思维：阿伦尼乌斯勇于挑战传统学术观点，提出了前瞻性的理论，鼓励当代大学生在学习和研究中保持开放的思维，勇于创新和探索新的领域。

阿伦尼乌斯公式可以表示为如式（1）：

其中，k是反应速率常数；A是指前因子；Ea是活化能；R是理想气体常数；T是反应温度。反应速率常数k随着温度的增加而增加。温度升高可提高反应物能量，使其更容易克服活化能垒，从而加快反应速率。阿伦尼乌斯公式中的指数项exp(-Ea/RT)描述了反应速率与温度之间的指数关系，对于了解和控制化学反应速率具有重要意义。首先，利用阿伦尼乌斯公式可以实现反应条件的预测和优化。通过测定不同温度下的反应速率常数可以确定最适宜的反应温度，这对于工业生产中的反应优化和能源消耗的控制非常重要。其次，阿伦尼乌斯公式也可以用于推断反应机理。通过测定不同温度下的反应速率常数计算反应活化能。活化能的大小是推测反应转化步骤和中间体的重要依据，对于反应机理和路径的理解意义重大。

(2)催化剂知识点的解析与应用分析

催化剂通过改变化学反应路径降低反应活化能，从而提高反应速率，同时不被反应消耗。首先，反应物分子在催化剂表面被吸附，形成吸附物种。吸附使反应物分子之间的距离缩短，增加了反应的可能性。其次，在吸附态下，反应物分子经历活化过程，使它们获得足够的能量，以克服活化能垒，进而发生反应。最后，产物从催化剂表面脱附，释放出的活性位点再次吸附反应物催化下一次反应。催化剂在化学反应中一般起到促进作用。通过改变化学反应的活化能，催化剂可以提高反应速率并降低反应所需的能量，在工业化学（合成甲醇、氨等化学合成）、环境保护（如汽车尾气净化）、可再生能源（如光催化制氢）和电化学（如燃料电池）等领域都有广泛的应用。相对而言，传统大学化学授课更为侧重概念、机理等基础性和原理性内容的讲授。

2.化学动力学的理论与实践相结合的教学新模式

化学动力学理论课程包含反应速率基本概念、速率方程、阿伦尼乌斯方程及催化剂作用机理等内容，理论性较强，传统以课堂理论授课为主的教学模式难以让学生真正吃透相关知识点，无法与实际问题较好的联系在一起。而理论与实践相结合的教学新模式实现了课堂理论教学与实践分析相融合的一体化教学，让学生通过实践的观察和思考理解化学动力学的理论知识，真正体会理论知识的具体应用[2]。总体来说，理论与实践相结合的教学模式优势显著。

（1）提高学生学习热情和学习效率，提高教学质量和教学效果。理论让实践有迹可循，实践让理论丰富生动。教学过程中引入大量的实践辅助理论教学，可以让理论知识具有丰富的画面感和空间感，真正做到通俗易懂、深入浅出，提高学生对于新知识尤其是相对抽象的知识的理解程度，从而激发学生的学习热情[3]。对学生而言，通过理论与实践相结合的授课方式，一方面可以让学生学会活学活用；另一方面也可以教会学生透过现象看本质，利用理论知识解释实际问题。对老师而言，平面化的理论知识与立体化的实例相结合授课，极大地丰富了教学内容，调动学生的求知欲从而提高教学质量和教学效果[4]。

（2）解决理论教学内容与实际应用脱节的问题。大学化学中化学动力学内容相对抽象，部分同学难以真正掌握精髓，甚至少部分学生完全靠机械式记忆完成考试。针对此问题，本课程中相当一部分内容如反应速率、反应活化能、催化剂作用及机理等教学内容，每次课程均以实际应用为导向，通过生动的实例带动学生学习热情，将现实问题的解释与理论知识相互对应，促进学生实现理论学习向应用能力的培养转化。同时，通过实例教学进一步深化理论教学内容，提高学生对理论知识学习的积极性和主动性，明白理论知识学习的重要性。

（3）教学模式对学生学习成效的影响。采用理论与实际相结合的教学方式，以紧跟我国先进技术发展现状的实践应用为导向指导理论教授，通过热点互动调动学生的学习积极性，将最新相关技术融入课堂教学，引导学生将所学所想与国家发展关联起来，深刻认识技术创新对科技进步的重要意义，目光长远且胸怀理想，有效提升学生对国家建设的使命感，促进其自主学习。采用理论与实践相结合的教育模式，激发学生的学习热情，通过自主选题累计获批各类大学生科研项目8项，其中国家级大学生创新创业训练重点项目3项、大学生自主创新资助计划1项和教学实验室开放基金4项，所有项目均已结题，其中4个项目获评优秀。

3.理论与实践相结合的教学模式实施案例

以阿伦尼乌斯公式与催化剂应用为例，使学生对化学动力学的应用有了更深入的了解。阿伦尼乌斯公式是描述化学反应速率的基本方程，通过具体案例的讲解和实践操作，学生能够更加具体地理解这个公式的应用和意义。同时，催化剂的应用也是化学动力学中重要的内容之一，通过探索催化剂的作用机制和应用领域，学生能够将理论知识与实际问题相结合，培养解决实际化学反应问题的能力。有机液体储氢技术通过不饱和芳环有机分子催化加氢和催化脱氢从而实现氢气的储存与释放。本文则以7-甲基咔唑催化加脱氢反应为例，首先，利用反应动力学模型计算了反应速率常数及表观反应活化能，其次以催化剂的实际应用为例，用实例解释催化剂的具体作用和重要性。有机液体储氢分子为芳环不饱和分子，多次实验测试表明初始反应物的加氢和脱氢反应均符合一级反应动力学模型，即：

对式（2）变形得到反应速率常数计算公式，即：

利用式（3）可以获得不同反应温度下的反应速率常数，根据阿伦尼乌斯式（4），则可推导得到该步反应的表观活化能，即：

图1 （a）7-甲基吲哚加氢一阶动力学曲线及阿伦尼乌斯曲线；（b）全氢化7-甲基吲哚脱氢动力学曲线及阿伦尼乌斯曲线

将不同温度下的lnk对1/T作图，通过拟合得到的直线斜率可计算得到表观反应活化能。7-甲基吲哚在无催化剂作用下无法实现氢化反应和脱氢反应，引入催化剂之后反应能垒降低，可实现分子的氢化和脱氢反应。7-甲基吲哚在Ru/Al2O3催化剂作用下，可在130～170℃范围内实现加氢。如图1（a）所示，利用式（2）计算各个温度下的反应速率常数，利用式（3）可以推导获得加氢反应表观活化能为8.6kJ/mol。

全氢化7-甲基吲哚在Pd/Al2O3催化剂作用下，可在170～200℃范围内实现脱氢。如图1（b）所示，计算获得不同反应温度下反应速率常数，最终获得脱氢反应表观活化能为11.2kJ/mol。通过计算7-甲基吲哚加氢和脱氢反应的表观反应活化能，发现在所选的催化剂表面该分子具有较低的反应能垒，从而使反应易于进行且能量消耗较低。这一发现为储氢技术催化剂的筛选设计提供了有力的依据。特别是，世界上首台采用有机液体储氢技术的大巴车“泰歌号”的脱氢催化剂设计与此方法息息相关。

2016年8月，中国地质大学（武汉）可持续能源实验室和同济大学汽车学院联合开展了有机液体供氢系统及供氢系统与燃料电池一体化控制系统的研发工作。随后于2016年9月，全球首台基于常压有机液体储氢技术供氢系统的氢能汽车工程样车“泰歌号”在武汉上线，这一重要里程碑标志着我国在“常温常压储氢技术”商业化应用上取得了重大突破。该汽车最核心的技术之一就是常温常压有机液体储供氢系统，氢化的有机液体“氢油”进入供氢系统反应器，反应器中填充了脱氢催化剂，在催化剂的作用下实现快速脱氢反应产生氢气。释放的气体经过气液分离后直接进入燃料电池发电，为“泰歌号”氢能汽车提供持续的氢燃料。

正是由于该汽车采用了自主研发的高效脱氢催化剂，有效降低脱氢反应过程的“能垒”，其脱氢反应的活化能较低，因此，能够在较低的温度下实现高效释放氢气。通过上述具体实例，生动地展示了理论与实践相结合的教学模式的具体应用。运用阿伦尼乌斯公式可以计算得到在某一催化剂表面反应的表观活化能，从而理解催化剂在反应过程中的催化机理。

4.结论

本文旨在探索大学化学课程中化学动力学的理论与实践相结合的教学模式。通过本文的研究和案例分析，可以得出：在大学化学课程中，将化学动力学的理论与实践相结合的教学模式是一种有效的教学方法，能够提高学生对化学动力学基本概念和原理的理解和应用能力。这种教学模式能够激发学生的学习兴趣，提高教学质量和教学效果，解决理论教学内容与实际应用脱节的问题，对学生的学习成效具有积极的影响。