許亮亮 陳懿 姚禹 閔凱文

摘要： 基于技術素養(yǎng)培養(yǎng)視角，借鑒催化劑工程設計理念，選用天然多糖海藻酸鈉作為催化劑支架，制備了負載不同催化劑海藻酸鈉微球，并利用數字化手持技術對微球的催化效果進行了對比探究。整個實驗所用材料價格低廉、無毒環(huán)保，實驗設計新穎有趣，操作簡單安全。

關鍵詞： 海藻酸鈉微球； 過氧化氫分解； 催化； 實驗探究

文章編號： 10056629（2018）2007904中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1問題提出

隨著經濟和社會的快速發(fā)展，技術已經成為人們日常生活中不可缺少的一部分。提高學生的技術素養(yǎng)已經成為我國中學科學教育目標中的核心內容之一，但從目前中學化學學科的研究現狀和一線教學情況來看，化學教學中關于培養(yǎng)學生技術素養(yǎng)的教學研究和實踐則非常薄弱[1]。因此本實驗以培養(yǎng)和提高學生技術素養(yǎng)為旨歸，在深入研讀人教版初、高中化學教材的基礎上，將學生熟悉的“過氧化氫制氧氣”作為探究情境，借鑒現代工業(yè)催化劑技術開發(fā)原理[2]，選用可食用的天然多糖海藻酸鈉作為催化劑支架，制備負載不同催化劑海藻酸鈉微球，并利用數字化手持技術對微球的催化效果進行對比探究。整個實驗所用材料價格低廉、無毒環(huán)保，實驗設計新穎有趣，操作簡單安全，成功實現了對過氧化氫制氧氣反應速率的精準控制，也使催化劑的回收再利用變得簡單易行。筆者將該創(chuàng)新實驗應用于我校STEM化學選修課（兩課時）中，讓學生親身體驗工業(yè)生產中制備負載型催化劑的技術設計思路和方法，并利用手持技術探究催化劑的催化效果，使學生運用化學知識指導技術實踐并對相關技術進行評價和改進，學會從化學的角度思考技術問題，更深層次地認識化學與技術在社會發(fā)展中的重要作用。

2實驗原理

過氧化氫制氧氣是學生初三階段學習的化學反應。該實驗綠色環(huán)保、操作簡單、現象明顯、產物無污染。但也存在兩個問題： ①直接用MnO2催化時反應速率過快，不易控制；②MnO2過濾回收耗時耗力，往往直接倒掉。因此有學者對此實驗進行了改進[3～5]： 將聚乙烯熔化后粘附MnO2、用502膠水將MnO2粘在銅絲上、用水泥負載MnO2等方法催化H2O2分解。這些實驗雖各有特點，但并沒有結合學生已有的化學知識和原理探究出更科學、更環(huán)保的反應條件。

海藻酸鈉是一種以海帶、巨藻等褐藻為原料提取分離出的天然多糖類生物高分子（結構見圖1），具有良好的生物相容性且可食用，被廣泛用于藥物控釋和組織工程類材料[6]。通過反復實驗，本文將可降解水溶性高分子海藻酸鈉作為催化劑的載體支架，即將海藻酸鈉溶液分別與不同催化劑混合形成的混懸液滴入CaCl2溶液中，Ca2+取代海藻酸鈉上的Na+，通過離子鍵將海藻酸鈉高分子鏈進行交聯固化（見圖2），形成三維網狀多孔結構的負載催化劑微球[7]，然后利用數字化實驗儀器——壓力傳感器，定量探究負載不同催化劑海藻酸鈉微球催化H2O2分解的效果。

3實驗過程

3.1藥品與儀器

30%過氧化氫溶液、二氧化錳、氧化銅、三氧化二鐵、三氧化二鉻、硫粉、海藻酸鈉、氯化鈣、去離子水；塑料滴管、燒杯、玻璃棒、酒精燈、磁力攪拌器、圓形篩子（直徑10cm，孔徑60目）、數字化壓力傳感器、電腦、鐵架臺（帶鐵夾）、錐形瓶

3.2實驗操作

（1） 配制2%海藻酸鈉和10%催化劑（如MnO2）混合懸濁液25g；配制1%氯化鈣溶液50g。

（2） 用滴管將混懸液逐滴滴入1%氯化鈣溶液，反應10分鐘，即制得負載催化劑海藻酸鈉微球，用篩子過濾并用去離子水洗滌。

（3） 取負載催化劑的海藻酸鈉微球30粒于大試管中，如圖3連接壓力傳感器，用注射器向錐形瓶中注入20mL濃度為5% H2O2溶液，溶液全部注入瞬間立即采集200s內壓強數據。以該方法測定負載MnO2、 CuO、 Fe2O3、 Cr2O3和S的微球催化H2O2分解的壓強數據。最后用Origin8.6軟件繪制實驗圖形。

① 磁力攪拌器； ② 反應器； ③ 注射器； ④ 壓力傳感器； ⑤ 數據采集器

3.3海藻酸鈉微球的表征

（1） 為制備較大球徑的催化微球，實驗前用剪刀剪去塑料滴管管口部分。用剪好的滴管吸取海藻酸鈉和催化劑混懸液滴入1%CaCl2溶液中，Ca2+迅速滲入混懸液小液滴中，將海藻酸鈉高分子鏈交聯成球，微球直徑約為3～4mm。實驗中發(fā)現混懸液溫度宜控制在40℃，滴加時可形成規(guī)則的球形。溫度太低，易形成小球拖尾；溫度太高，溶液流速快不易形成球形。CaCl2溶液濃度也不可過高，否則密度太大，小球會漂浮在溶液表面，影響固化。制備的負載五種不同催化劑的海藻酸鈉微球，由于催化劑本身顏色不同，所以微球分別顯示出不同的顏色（見表1）。

（2） 將負載不同催化劑的海藻酸鈉微球用于催化5%H2O2溶液時，觀察到負載MnO2、 CuO微球的表面迅速產生氣泡，微球浮起，而負載Fe2O3、 Cr2O3、 S微球產生氣泡較少（見表1）。同時利用壓力傳感器，定量測定了不同微球的催化效果，圖4中a、 b、 c、 d、 e即為負載MnO2、 CuO、 Fe2O3、 Cr2O3和S的海藻酸鈉微球催化H2O2分解產生O2的壓強隨時間的變化曲線圖?？梢钥吹讲煌呋瘎┑拇呋Ч嗖钶^大，其中負載MnO2微球顯示了良好的催化效果，短時間內產生壓強較大，60s時即將膠塞彈飛；負載CuO微球催化效果較好，反應溫和；負載Fe2O3、 Cr2O3微球催化效果一般；負載S微球催化能力最弱。

a 負載MnO2； b 負載CuO； c 負載Fe2O3； d 負載Cr2O3； e 負載S

4教學反思

中學化學課程中技術素養(yǎng)包括技術知識、技術實踐和技術情意三個維度[8]。本實驗以技術知識為基礎、技術實踐為手段，最終促進技術情意的形成，在三者的相互作用中促進學生技術素養(yǎng)的形成。以下是結合本實驗的教學反思：

4.1融入工程設計理念，拓寬技術知識

本實驗以過氧化氫制氧氣為探究情境，結合工業(yè)生產中常見的催化劑的工程設計理念，巧妙利用離子鍵交聯固化技術制備負載不同催化劑海藻酸鈉微球。該探究過程以學生已有知識為基礎，將實驗室設計與工業(yè)設計進行良好結合，既降低了學生的學習難度，開拓了學生的學術視野，更重要的是加深了學生對化學與技術之間關系的理性認識。

4.2熟練常規(guī)實驗操作，強化技術實踐

本實驗創(chuàng)設了四種技術實踐活動： （1）熟練配制溶液技術；（2）掌握物質制備技術；（3）學會分離提純技術；（4）利用數字化儀器進行定量分析技術。精確配制不同濃度溶液的技術操作在實際教學中往往被忽略，本實驗所有溶液配制均由學生獨立完成，旨在培養(yǎng)學生嚴謹細致的工匠精神，真正將提升學生技術素養(yǎng)落到實處。學生使用壓力傳感器技術對不同微球的催化性能進行數字化的表征，加深了對定量研究的理解，也感受到了數字化實驗技術的便攜性、直觀性、實時性、準確性等特點。

4.3加強實驗反思創(chuàng)新，升華技術情意

本實驗結束分組總結討論時，有學生提出高中生物課上使用的富含過氧化氫酶的肝臟研磨液，能否負載于海藻酸鈉微球上進行催化呢？學生的“異想天開”讓本次實驗探究真正實現了“言有盡而意無窮”。課后學生組成探究小組，選用10%肝臟研磨液，制備了負載生物催化劑過氧化氫酶的海藻酸鈉微球，取得了良好的催化效果。圖5即為負載過氧化氫酶微球催化H2O2分解壓強變化曲線圖，該微球顯示了良好的催化效果，短時間內同樣產生較大壓強，65s時將膠塞彈飛。從圖中曲線斜率發(fā)現與負載金屬氧化物微球不同的是，負載過氧化氫酶微球催化效果隨時間延長越來越弱。學生認為可能是隨著反應進行，大量放熱，溶液溫度升高使生物催化劑過氧化氫酶失去了催化活性。學生結合自身知識進行跨學科思考和嘗試，取得了極佳的探究結果，大大加深了對所學知識的理解，激發(fā)了學生的自信心。

5結語

技術素養(yǎng)視角下進行高中化學創(chuàng)新實驗研究，不能只做“換湯不換藥”的形式變化，而要基于學生認知、突出學科特色、體現前沿理念，緊扣教材，開發(fā)出真正讓學生感興趣的技術實驗課程。本實驗中所用藥品均無毒無污染，用量少且便于回收利用，制備操作極其簡單，現象非常明顯。學生不僅很好地完成了各項實驗步驟，而且在反思階段打破了學科之間的知識界限，對實驗進行了跨學科的思考和改進[9]，完成了實驗的創(chuàng)造性升級，真正促進了技術素養(yǎng)的形成和發(fā)展。

參考文獻：

[1]何翔.促進學生技術素養(yǎng)發(fā)展的高中化學教學實踐與思考[J].化學教育， 2014，（19）： 14～18.

[2]王尚弟，孫俊全，王正寶.催化劑工程導論（第3版）[M].北京： 化學工業(yè)出版社， 2015： 169～175.

[3]張偉，李路路.對用過氧化氫溶液分解制取氧氣實驗的改進[J].中學化學教學參考， 2012，（10）： 55.

[4]潘璞峻，向玲.二氧化錳催化過氧化氫制氧氣的實驗改進[J].中學化學教學參考， 2016，（2）： 61.

[5]吳曉紅，任斌，徐建菊.探究水泥負載二氧化錳催化分解過氧化氫的最佳條件[J].化學教育， 2017， 38（7）： 74～76.

[6]王春霞，張娟娟，王曉梅等.海藻酸鈉的綜合應用進展[J].食品與發(fā)酵科技， 2013， 49（5）： 99～102.

[7]許亮亮，鄒正，程昊然.基于STEM教育的中學化學創(chuàng)新實驗研究——以“制備pH響應海藻酸鈉微球”為例[J].化學教育， 2017， 38（13）： 63～66.

[8]姜奕林，畢華林.中學化學課程中技術素養(yǎng)的培養(yǎng)研究[D].濟南： 山東師范大學碩士學位論文， 2014： 31～42.

[9]許亮亮，鄒正，吳可威.基于STEM理念的中學化學創(chuàng)新實驗研究——以“自制電解水芯片實驗室”為例[J].化學教育， 2017， 38（5）： 62～65.