邱磊 武衍杰

摘要“催化劑”概念蘊(yùn)含著培養(yǎng)學(xué)生“宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn)知”等學(xué)科核心素養(yǎng)的價(jià)值，既是高中化學(xué)教學(xué)的重點(diǎn)，又是高考的熱點(diǎn)。基于學(xué)生對(duì)“催化劑”概念的理解現(xiàn)狀及教學(xué)研究現(xiàn)狀，開展“多角度認(rèn)識(shí)催化劑”高三一輪復(fù)習(xí)教學(xué)。設(shè)置了“基于物質(zhì)變化辨識(shí)催化劑”、“基于能量變化理解催化劑”、“基于途徑變化探析催化劑”等三個(gè)遞進(jìn)性任務(wù)，并跟進(jìn)基于問題解決的遠(yuǎn)遷移評(píng)價(jià)活動(dòng)，在促進(jìn)“教、學(xué)、評(píng)一體化”的同時(shí)構(gòu)建催化劑多角度認(rèn)識(shí)模型。

關(guān)鍵詞催化劑；認(rèn)識(shí)角度；物質(zhì)變化；能量變化；途徑變化；高三復(fù)習(xí)

1問題提出

1.1多角度認(rèn)識(shí)催化劑既是新課標(biāo)要求又是高考熱點(diǎn)

催化劑及催化反應(yīng)的研究在工業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）對(duì)“催化劑”的內(nèi)容要求包括：（1）通過實(shí)驗(yàn)探究，了解催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響；（2）知道化學(xué)反應(yīng)是有歷程的，認(rèn)識(shí)基元反應(yīng)活化能對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響；（3）知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程，對(duì)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)速率具有重要意義。學(xué)業(yè)要求為：能運(yùn)用催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響規(guī)律解釋生產(chǎn)、生活、實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)際問題，能討論化學(xué)反應(yīng)條件的選擇和優(yōu)化^[1]。通過對(duì)近五年高考試題的統(tǒng)計(jì)分析（表1）發(fā)現(xiàn)催化劑內(nèi)容的考查角度與新課標(biāo)基本契合：（1）催化劑基本性質(zhì)及特點(diǎn)；（2）催化劑與活化能的聯(lián)系；（3）催化劑參與下的反應(yīng)機(jī)理分析等?？梢姸嘟嵌日J(rèn)識(shí)催化劑既是新課標(biāo)要求又是高考熱點(diǎn)。

1.2學(xué)生對(duì)催化劑概念缺乏結(jié)構(gòu)化理解

相比于初中段“催化劑在反應(yīng)前后質(zhì)量、性質(zhì)不變”的淺顯認(rèn)識(shí)，高中段認(rèn)識(shí)要求明顯提高。但通過訪談發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)催化劑的理解還存在“淺表化、散點(diǎn)式”的問題。如學(xué)生提到“催化劑的內(nèi)容感覺簡(jiǎn)單，但是跟能量、圖像、轉(zhuǎn)化率牽扯在一起，就不知道怎么辦了”、“催化劑從初中就開始學(xué)習(xí)，熟悉又陌生，題目總是千奇百怪”。造成上述問題的重要原因在于高中階段催化劑內(nèi)容分散，高三復(fù)習(xí)階段，往往又就題論題，不利于學(xué)生形成關(guān)聯(lián)性認(rèn)知。要達(dá)成學(xué)生對(duì)催化劑概念的結(jié)構(gòu)化理解，高三一輪復(fù)習(xí)教學(xué)中必須有意識(shí)整合催化劑相關(guān)內(nèi)容，從不同角度重新建構(gòu)對(duì)催化劑的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

1.3催化劑教學(xué)研究現(xiàn)狀分析

通過文獻(xiàn)檢索，有關(guān)催化劑的研究主要包括基于催化劑的實(shí)驗(yàn)探究和改進(jìn)及特定角度下認(rèn)識(shí)催化劑的教學(xué)設(shè)計(jì)等。如實(shí)驗(yàn)探究和改進(jìn)方面：有研究者基于特定反應(yīng)選擇不同種類的催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)效果的比較與分析^[2-4]；也有研究者嘗試采用新型催化劑改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中催化效果不佳的問題^[5-6]。再如教學(xué)設(shè)計(jì)研究方面：通過安排教學(xué)實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)，開展催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響的教學(xué)^[7-8]；在探查學(xué)生對(duì)催化劑已有認(rèn)知基礎(chǔ)上的改進(jìn)教學(xué)^[9]；從微觀視角豐富對(duì)催化劑認(rèn)識(shí)的教學(xué)^[10-11]?？梢娽槍?duì)催化劑的教學(xué)研究雖然主題豐富但認(rèn)識(shí)視角單一，特別是在高三一輪復(fù)習(xí)中多角度建構(gòu)催化劑認(rèn)識(shí)模型的的文獻(xiàn)幾乎沒有。

2 催化劑多角度認(rèn)識(shí)模型

IUPAC（國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)）對(duì)于催化劑的定義：催化劑是能夠加快化學(xué)反應(yīng)速率但不改變標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能的物質(zhì)，催化劑既是反應(yīng)的反應(yīng)物也是產(chǎn)物^[12]。可見催化劑“參與化學(xué)反應(yīng)、改變反應(yīng)途徑、降低反應(yīng)的活化能、加快化學(xué)反應(yīng)速率”^[13]。嘗試從物質(zhì)變化、能量變化、途徑變化等角度建構(gòu)催化劑多角度認(rèn)識(shí)模型。

2.1 物質(zhì)變化視角

如何理解“催化劑既是反應(yīng)物也是產(chǎn)物”？對(duì)于反應(yīng)A+B→ AB，K為該反應(yīng)催化劑，反應(yīng)過程可假設(shè)為A+K→AK、AK+B→ AB+K^[14] 。K作為反應(yīng)物參與了第一步反應(yīng)，隨后又經(jīng)過第二步反應(yīng)生成，既是反應(yīng)物又是生成物。除少數(shù)自催化現(xiàn)象外，大部分催化劑都是外加的，外加物質(zhì)隨著反應(yīng)消耗又生成，這樣的物質(zhì)就是催化劑。因此基于催化劑在反應(yīng)中經(jīng)歷“催化劑-中間體-催化劑”的轉(zhuǎn)變過程，可辨識(shí)化學(xué)反應(yīng)的催化劑。

2.2能量變化視角

化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生需要分子間有效碰撞，而能夠發(fā)生有效碰撞的分子必須具有足夠的能量，稱作活化分子。活化分子具有的平均能量與反應(yīng)物分子具有的平均能量之差叫做活化能。催化劑能夠降低反應(yīng)的活化能，使更多的反應(yīng)物分子變成過渡態(tài)分子，加快反應(yīng)速率。借助阿倫尼烏斯公式可知活化能的降低對(duì)反應(yīng)速率的提升是指數(shù)性增長(zhǎng)。從能量視角理解化學(xué)反應(yīng)歷程即“反應(yīng)物--過渡態(tài)--生成物”，表明對(duì)催化劑的認(rèn)識(shí)已從宏觀層面上升到微觀層面。

2.3途徑變化視角

催化劑能降低反應(yīng)的活化能是因?yàn)楦淖兞朔磻?yīng)途徑，至于具體改變的途徑如何，對(duì)大部分催化反應(yīng)來說，了解得還很有限^[14]。但對(duì)多相催化來說，其反應(yīng)途徑一般經(jīng)歷“擴(kuò)散-吸附-表面反應(yīng)-脫附”等階段。如圖1的工業(yè)合成氨歷程為：（1）N₂和H₂吸附至固體催化劑的表面形成吸附化學(xué)鍵；（2）在吸附化學(xué)鍵影響下，N₂和H₂斷鍵，在催化劑表面逐步形成N-H鍵，合成NH₃；（3）NH₃脫離表面活性中心。^[15]在多相催化中，催化劑的關(guān)鍵在于對(duì)反應(yīng)物分子化學(xué)鍵的影響（如催化合成氨過程中，因吸附化學(xué)鍵的影響，降低了分子斷鍵的活化能），從鍵的斷裂和形成角度認(rèn)識(shí)催化劑實(shí)質(zhì)上就將對(duì)化學(xué)反應(yīng)的認(rèn)識(shí)從“總包反應(yīng)”拓展到“基元反應(yīng)”，因此從途徑變化角度探析催化劑賦予了學(xué)生從基元反應(yīng)視角對(duì)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行更精準(zhǔn)的調(diào)控和優(yōu)化的能力。

“辨識(shí)催化劑—理解催化劑—探析催化劑”反映了對(duì)化學(xué)反應(yīng)從宏觀到微觀認(rèn)識(shí)水平的提升。其中能量變化視角引入了“活化能”概念，建立了能量與化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)聯(lián)，是對(duì)物質(zhì)變化視角下催化劑作用的微觀解釋，途徑變化視角對(duì)催化劑的認(rèn)識(shí)上升到微觀機(jī)理層面，賦予學(xué)生調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的基元反應(yīng)視角。三個(gè)角度，互相關(guān)聯(lián)，逐級(jí)遞進(jìn)，其關(guān)系如圖2。

3教學(xué)目標(biāo)

（1）通過分析H₂O₂催化分解過程中Fe³⁺的作用，從物質(zhì)變化的角度形成辨識(shí)催化劑的方法，并通過“CO₂轉(zhuǎn)化為炭黑”、“處理氮氧化物”等反應(yīng)過程進(jìn)行遷移應(yīng)用；

（2）通過I^-催化H₂O₂分解“能量-反應(yīng)過程”示意圖，能基于能量視角解釋催化劑加快反應(yīng)速率的原因；通過符號(hào)表征與曲線表征之間的轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)對(duì)不同表征形式的理解和轉(zhuǎn)化能力；

（3）通過工業(yè)合成氨過程中催化機(jī)理分析，提升從化學(xué)平衡（宏觀）及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理（微觀）角度對(duì)催化劑的認(rèn)知，建構(gòu)基于“物質(zhì)變化-能量變化-途徑變化”認(rèn)識(shí)催化劑的認(rèn)知模型；

（4）在課堂推進(jìn)中感悟催化劑的作用，體會(huì)化學(xué)科學(xué)對(duì)工業(yè)發(fā)展的價(jià)值。

4教學(xué)流程

基于不同角度下催化劑認(rèn)識(shí)模型，設(shè)置圖3所示的遞進(jìn)性任務(wù)，借助多個(gè)真實(shí)情境串聯(lián)教學(xué)環(huán)節(jié)，開展“找”催化劑、“畫”示意圖、“讀”拓展材料等多類活動(dòng)，并設(shè)置即時(shí)評(píng)價(jià)任務(wù)，促進(jìn)“教、學(xué)、評(píng)”一體化，形成對(duì)催化劑的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

5教學(xué)實(shí)施

5.1 基于物質(zhì)變化辨識(shí)催化劑

【主題情境5.1.1】Fe³⁺催化H₂O₂分解涉及的反應(yīng)包括總反應(yīng)：2H₂O₂⁼⁼⁼⁼O₂↑ + 2H₂O， ?第一步反應(yīng)：2Fe³⁺+ H₂O₂⁼⁼⁼⁼2Fe²⁺+ O₂+ 2H⁺

[問題1]把第二步反應(yīng)補(bǔ)充完整，并思考催化劑有沒有參與該反應(yīng)？什么是催化劑？

[學(xué)生回答]第二步反應(yīng)：2Fe²⁺+ H₂O₂+ 2H⁺⁼⁼⁼⁼2Fe³⁺+ 2H₂O。催化劑參與了化學(xué)反應(yīng)，它能夠加快化學(xué)反應(yīng)速率，但自身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后不變。

[問題2]有研究者描述催化劑既是反應(yīng)物又是生成物，如何理解？

[學(xué)生回答] Fe³⁺作為反應(yīng)物參與了第一步反應(yīng)，然后經(jīng)過后續(xù)的反應(yīng)又生成了。

【主題情境5.1.2】CO₂轉(zhuǎn)化為炭黑回收利用的轉(zhuǎn)化圖（圖4）。

[問題3]這一過程中哪種物質(zhì)作催化劑？怎么辨別？

[教師總結(jié)]催化循環(huán)圖中，根據(jù)箭頭指向，流入循環(huán)圖的是反應(yīng)物，流出循環(huán)圖的是生成物，催化劑和中間產(chǎn)物雖然都可以循環(huán)再生，但催化劑是首先和反應(yīng)物反應(yīng)的物質(zhì)。

【評(píng)價(jià)任務(wù)5.1】觀察處理NO_x的轉(zhuǎn)化過程（圖5），找出該過程中的催化劑。

[學(xué)生回答]催化劑是Cu⁺。Cu⁺首先作為反應(yīng)物與O₂反應(yīng)，參與反應(yīng)，隨后又生成。

5.2 基于能量變化理解催化劑

【主題情境5.2】H₂O₂分解反應(yīng)：2H₂O₂（l）⁼⁼⁼⁼O₂（g）+ 2H₂O（l），△H= ─ 98kJ·mol^-1。在I^-的催化作用下，催化過程分兩步完成：①H₂O₂+ I^-====H₂O + IO^-；②H₂O₂+ IO^-====H₂O + I^-+ O₂，其中第一步的△H > 0，反應(yīng)速率較慢，第二步反應(yīng)的△H < 0，反應(yīng)速率較快。

[問題1] 結(jié)合信息，畫出H₂O₂分解過程中有、無催化劑兩種情況下的“能量—反應(yīng)過程”圖。

[學(xué)生活動(dòng)]依據(jù)情境信息，畫出圖6。

[問題2]制圖需要注意哪些問題？

[學(xué)生回答]總反應(yīng)是放熱，所以反應(yīng)物位置在上，生成物在下；加入催化劑后，活化能降低，且分成了兩步進(jìn)行，應(yīng)畫出兩個(gè)峰；反應(yīng)①速率慢，活化能要大一些；反應(yīng)②速率快，活化能小一些；催化劑并不改變反應(yīng)的焓變，所以兩條曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)一樣。

[教師總結(jié)]總結(jié)出催化劑特點(diǎn)（圖7）：

[問題1] 觀察圖8合成氨過程中的“能量-反應(yīng)歷程”示意圖，思考：①哪一步是合成氨的決速步驟？③從化學(xué)鍵角度分析為什么該步速率最慢？（吸附在催化劑表面上的物質(zhì)用*表示；虛線表示未加催化劑，實(shí)線表示加催化劑）

[學(xué)生討論]決速步驟為N₂^*====2N^*，因?yàn)檫@一步反應(yīng)的活化能最高；該步驟為氮氮三鍵斷開，因其鍵能較大，所以反應(yīng)速率較慢。

[資料卡片]合成氨反應(yīng)在某催化劑表面的具體行為也可由圖1表示，其過程為 （1） N₂、H₂擴(kuò)散至固體催化劑的表面并吸附在活性中心上；（2）活性中心有強(qiáng)烈的吸附作用，使得N₂、H₂的化學(xué)鍵更容易斷開；（3）在一定催化劑表面上，活性中心的數(shù)目是有限的，N₂、H₂會(huì)競(jìng)爭(zhēng)活性中心的位置；（4）N、H逐步形成N-H鍵；（5）合成NH₃后，脫離活性中心，擴(kuò)散離開。

[問題2]閱讀資料，交流討論，思考：

①生產(chǎn)中，通入V（N₂）和V（H₂）的比例并不是1：3，而是1： 2.8，請(qǐng)從平衡及速率兩個(gè)角度解釋原因。

②合成氨過程中，會(huì)不斷將生成的NH₃液化移去，說明該操作的理由。

③反應(yīng)的最佳溫度（773K）遠(yuǎn)高于室溫，思考選擇這一溫度的原因。

[學(xué)生討論]從平衡角度來看，N₂適度過量有利于提高H₂的轉(zhuǎn)化率，從速率角度考慮，N₂的斷鍵是決速步驟，N₂稍多一些，能占據(jù)更多的活性中心，斷鍵更容易，反應(yīng)速率更快；將NH₃移去，有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，且空出活性中心，便于N₂的吸附；合成氨是放熱反應(yīng)，降溫有利于平衡正向移動(dòng)，但溫度過低會(huì)降低化學(xué)反應(yīng)速率，綜合考慮，選擇773K。

[教師過渡]催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的提高可達(dá)上萬億倍，選擇合適的催化劑是提高生產(chǎn)效率的最適宜途徑，研制適宜的催化劑往往是工業(yè)生產(chǎn)中最為重要的工作。

【評(píng)價(jià)任務(wù)5.3】為克服合成氨面臨的速率—平衡兩難問題，我國(guó)研制了Ti-H-Fe雙溫區(qū)催化劑（Ti-H區(qū)域和Fe區(qū)域的溫差可超過100℃），其反應(yīng)歷程如圖9。解釋說明雙溫區(qū)催化劑的優(yōu)點(diǎn)。

[學(xué)生回答]斷鍵過程在高溫區(qū)進(jìn)行，成鍵過程在低溫區(qū)進(jìn)行，即保證了化學(xué)反應(yīng)速率較快，又保證了化學(xué)反應(yīng)的限度。

5.4 課堂小結(jié)

本節(jié)課從物質(zhì)變化、能量變化、途徑變化三個(gè)角度切入，借助不同主題情境，形成對(duì)于催化劑全面認(rèn)知，具體概念圖如圖10。

6教學(xué)實(shí)踐效果及反思

從教學(xué)實(shí)踐來看，多角度認(rèn)識(shí)催化劑極大提高了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。為進(jìn)一步檢驗(yàn)教學(xué)效果，將圖9所示催化歷程改編為指向三種不同認(rèn)識(shí)角度的問題。例如在能量變化角度：催化歷程中的決速步驟是哪一步，請(qǐng)解釋原因；在途徑變化角度：五步轉(zhuǎn)化中，具體哪些在低溫區(qū)進(jìn)行，哪些在高溫區(qū)進(jìn)行，未來催化劑的研究方向如何？測(cè)試目標(biāo)分別為檢驗(yàn)學(xué)生是否能將活化能與化學(xué)反應(yīng)速率建立關(guān)聯(lián)及是否能在理解催化劑作用的基礎(chǔ)上進(jìn)行反應(yīng)條件的調(diào)控。通過對(duì)50位同學(xué)的作答情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)85%以上同學(xué)在前兩個(gè)角度的作答情況良好，在途徑變化角度的題目作答中，有60%的同學(xué)能夠考慮到溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率及化學(xué)反應(yīng)限度的綜合影響，提出未來要開發(fā)低溫催化效果好、能進(jìn)一步降低決速步驟活化能的催化劑?？梢娊?jīng)過本節(jié)課教學(xué)，學(xué)生能夠較好地在物質(zhì)變化角度和能量變化角度實(shí)現(xiàn)對(duì)催化劑的理解，在途徑變化角度激發(fā)了創(chuàng)新意識(shí)。課后，通過與聽課教師的討論，對(duì)本節(jié)課也做了思考：（1）催化機(jī)理的內(nèi)容對(duì)一些同學(xué)的思維要求較高，出現(xiàn)了在不同風(fēng)格班級(jí)上課效果相差較大的情況，如何改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)并在課堂中實(shí)時(shí)根據(jù)學(xué)生的反饋進(jìn)行新的生成需要繼續(xù)思考；（2）催化劑的教學(xué)內(nèi)容相對(duì)來說較為獨(dú)立，但其與化學(xué)反應(yīng)原理知識(shí)密切相關(guān)，如何將對(duì)催化劑的系統(tǒng)認(rèn)識(shí)分布在其他原理知識(shí)的教學(xué)過程中，是后續(xù)改進(jìn)的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1] ?中華人民共和國(guó)教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）（S）.北京：人民教育出版社，2018：31-33.[2] ?朱正德. 用氯酸鉀制氧中催化劑代用品探究[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2017， 4： 52-54.