沈銀行

摘要： 闡釋了如何運用手持技術(shù)和數(shù)字化實驗，對催化劑的種類、用量以及活性三大因素進行實驗對照和分析，從而使學生體驗探究過程，形成探究思路，理解探究實質(zhì)，提升化學學科素養(yǎng)。

關鍵詞： 科學探究; 催化劑種類; 催化劑用量; 催化劑活性

文章編號： 10056629（2019）9007904? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

科學探究對學生學習自然科學所產(chǎn)生的積極影響是毋庸置疑的。科學探究是一種重要的學習方法，也是學生理解知識、體驗學習過程的重要途徑?！傲x務教育階段化學課程中的科學探究，是學生積極主動地學習化學知識、認識和解決化學問題的重要實踐活動”，“科學探究對發(fā)展學生的科學素養(yǎng)具有不可替代的作用”[1]。但對現(xiàn)行的初中化學教材進行分析，不難發(fā)現(xiàn)，不論是人教版、滬教版、魯教版、湘教版還是京改版，探究性實驗的比例明顯不足，實驗方式仍以教師演示、學生觀察為主。滬教版九年級教材中，雖然明確了學生必做的八大基礎實驗，但這些實驗主要還是以驗證性實驗為主。因此，在初中化學教學過程中，教師應該利用各種條件，創(chuàng)造各種因素，努力挖掘探究性實驗，以培養(yǎng)學生的學科思想，提升學生的科學素養(yǎng)。

催化劑的相關知識在初中化學教材中出現(xiàn)并不多，滬教版九年級上冊有這樣的一段敘述： 研究表明，在雙氧水制取氧氣的反應中，加入二氧化錳能加速過氧化氫的分解。在反應前后，二氧化錳的質(zhì)量保持不變，化學性質(zhì)也沒有發(fā)生改變。這種在化學反應中能增大化學反應速率，但本身的質(zhì)量和化學性質(zhì)在化學反應前后都沒有發(fā)生變化的物質(zhì)稱為催化劑。在實驗室里也可加熱二氧化錳和氯酸鉀的固體混合物制取氧氣。該反應中二氧化錳也是催化劑[2]。查閱相關資料可以知道： 催化劑又稱觸媒，可分為正催化劑和逆催化劑，正催化劑有助于反應向正方向移動（即加快反應速率），逆催化劑有助于反應向逆方向移動（即減慢反應速率）。酶是生物催化劑，是植物、動物和微生物產(chǎn)生的具有催化能力的有機物[絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)，但少量RNA（核糖核酸）也具有生物催化功能]，舊稱酵素。滬教版化學教材九年級下冊涉及到了酶： 食物中的蛋白質(zhì)在胃、腸中的酶及體內(nèi)水的作用下，逐步分解，生成可被小腸吸收的小分子化合物氨基酸[3]。

下面討論的探究性實驗，就是在數(shù)字化儀器的幫助下，利用實驗室或日常生活中能夠獲得的材料，對催化劑這一知識點進行的拓展探究。

1? 實驗一： 對催化劑用量的探究

查閱資料，對催化劑的定義，涉及的說法種類很多： 傅獻彩（物理化學家和化學教育家）認為，如果把某種物質(zhì)（可以是一種或幾種）加入到化學反應體系中，能改變化學反應速率，而本身在化學反應前后沒有數(shù)量上的變化，同時也沒有化學性質(zhì)的改變，這種物質(zhì)稱為催化劑;王桂茹（著有《催化劑與催化作用》）對催化劑定義為，催化劑是一種能改變一個化學反應速率，卻不改變化學熱力學平衡位置，本身在化學反應中不被明顯消耗的物質(zhì);廖代偉（廈門大學化學系教授，物理化學研究所所長）提出，催化劑是一種加快反應速率，控制反應方向或產(chǎn)物組成，而不影響化學平衡，在總反應的化學計量表達式中反映不出來，即在反應中不會被消耗的物質(zhì)。

在上述催化劑的闡釋中，都沒有催化劑的用量的表述。那么，催化劑用量是否對催化劑的效率產(chǎn)生影響？

1.1? 提出問題

（1） 通過對教材中實驗室制取氧氣（二氧化錳催化過氧化氫分解）的反應，取用不同質(zhì)量的催化劑進行實驗，探究催化劑的用量對反應速率的影響。

（2） 學會使用控制變量法研究化學反應，形成科學的思維方法，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

1.2? 實驗設計

1.2.1? 儀器和藥品

圓底燒瓶、電子天平、藥匙、壓強傳感器（含注射器和相關連接管）、數(shù)據(jù)采集器、3%的雙氧水（過氧化氫的水溶液）、二氧化錳（分析純）。

1.2.2? 實驗裝置

如圖1所示。

1.2.3? 實驗步驟

（1） 用電子天平（精確度為0.01g）分別準確稱量二氧化錳粉末0.03g、 0.06g、 0.12g（注意稱量紙用白紙，不用濾紙，防止少量粉末粘在紙上。固體粉末倒入圓底燒瓶時，要將稱量紙彈一下，以保證固體粉末不會粘在紙上），并將稱量的固體分別倒入3只圓底燒瓶中。

（2） 用三支注射器分別準確量取10mL 3%的雙氧水，注意取用過程中要將注射器中出現(xiàn)的氣泡趕掉，微調(diào)時可以轉(zhuǎn)動活塞。

（3） 按照圖1搭配好裝置，先將3個壓強傳感器連接到各自的數(shù)據(jù)采集器上，然后同時將三支注射器中的雙氧水分別注入圓底燒瓶，關閉活塞，同時利用壓強傳感器和數(shù)據(jù)采集儀實時測量密閉容器中的氣壓隨時間變化情況（注： 實驗時的室溫是25.8℃）。

1.2.4? 數(shù)據(jù)處理

1.2.5? 得出結(jié)論

（1） 雙氧水和二氧化錳混合后，過氧化氫發(fā)生分解反應產(chǎn)生氧氣，隨著催化劑二氧化錳的用量增加，反應速率加快，但不是越多越好。

（2） 催化劑二氧化錳用量與氧氣的最終產(chǎn)量無關。

1.2.6? 拓展延伸

催化劑的用量與催化效率的關系是一個很值得研究的命題，上述實驗中，從

數(shù)據(jù)處理后所得的圖像中（見圖2），我們可以認為0.12g較為適中[換算成純凈物之間的質(zhì)量比，m（MnO2）∶m（H2O2）約為1∶2.5]。雖然我們不能通過這樣的一個實驗就得出反應物與催化劑用量之間的關系，但我們可以嘗試運用這樣的方法進行實驗研究。

2? 實驗二： 對催化劑種類的探究

2.1? 提出問題

雙氧水分解只能用二氧化錳作為催化劑嗎？

2.2? 猜想與假設

能作為雙氧水分解催化劑的物質(zhì)不一定只有二氧化錳一種。

2.3? 制定方案

將不同種類的物質(zhì)與相同濃度、相同體積的雙氧水混合，利用壓強傳感器對反應過程產(chǎn)生的氣壓變化進行記錄，以確定合適的催化劑。

儀器藥品和實驗裝置同實驗一。

2.4? 實驗過程

（1） 用電子天平分別稱量0.12g二氧化錳粉末、0.12g氧化銅粉末（分析純）、0.12g氧化鐵粉末（分析純）

[注意稱量方法參照實驗一的實驗步驟（1）]，并將上述稱量好的物質(zhì)分別放到三只圓底燒瓶中。

（2） 取三支注射器，分別取用3%雙氧水10mL，按照圖1所示裝置連接好相關儀器（注意密封性）。

（3） 將注射器中的液體同時全部推入圓底燒瓶內(nèi)，同時利用壓強傳感器和數(shù)據(jù)采集儀實時測量密閉容器中的氣壓隨時間變化情況（注： 實驗時的室溫是25.8℃）。

2.5? 數(shù)據(jù)處理

2.6? 得出結(jié)論

雙氧水分解不是只能用二氧化錳作催化劑，還有其他物質(zhì)也可以作催化劑[4]。但是雙氧水分解時二氧化錳粉末作催化劑的催化效率顯然比其他幾種備選物質(zhì)的催化效率高（見圖3），因此，實驗室用雙氧水分解制取氧氣時一般均選擇二氧化錳作催化劑。

2.7? 拓展延伸

上述研究催化劑的種類對反應速率的影響，使用的是控制變量法?？刂谱兞糠ㄗ鳛榭茖W探究的基本方法之一，初中學生是必須掌握的。滬教版教材在涉及鐵生銹的條件探究、溶解的速率、影響溶解性的因素等知識時，都運用了控制變量的思維方法。

3? 實驗三： 對酶的生物活性的探究

3.1? 提出問題

查閱資料可知，生豬肝中含有的一種生物活性酶會對雙氧水的分解產(chǎn)生催化作用，如果將豬肝煮熟，這種酶還會具有催化作用嗎？

生土豆也含有生物活性酶，但動物活性酶和植物活性酶催化效率相同嗎？

3.2? 猜想與假設

生豬肝和生土豆都有催化作用，熟豬肝沒有。

3.3? 制定方案

將相同質(zhì)量的生熟豬肝、生土豆與相同濃度、相同體積的雙氧水混合，利用壓強傳感器對反應過程產(chǎn)生的氣壓變化進行記錄，以驗證假設。

儀器和其他藥品及實驗裝置同實驗一。

3.4? 進行實驗

（1） 用電子天平分別稱量質(zhì)量均為1.00g的兩份豬肝，一份備用，另一份放在沸水中煮兩分鐘，撈出冷卻后備用;再稱量1.00g生土豆（三份物質(zhì)的表面積相近）。將上述稱量好的物質(zhì)分別放到三只圓底燒瓶中。

（2） 取三只注射器，分別取用3%雙氧水10mL，按照圖1所示裝置連接好相關儀器（注意密封性）。

（3） 將注射器中的液體同時全部推入圓底燒瓶內(nèi)，同時利用壓強傳感器和數(shù)據(jù)采集儀實時測量密閉容器中的氣壓隨時間變化情況（注： 實驗時的室溫是25.8℃）。

3.5? 數(shù)據(jù)處理

3.6? 交流討論

實驗證明，生豬肝和生土豆具有一定的催化能力，熟豬肝催化能力較小，而且動物活性酶比植物活性酶催化效率更高（見圖4），這意味著生物活性酶的活性需在一定的溫度范圍內(nèi)，且生物體的化學反應幾乎都在酶的催化作用下進行。大約在37℃的溫度下（人體的溫度），酶的工作狀態(tài)是最佳的。如果溫度高于約50℃，酶就會被破壞而不能再發(fā)生作用（生熟豬肝的催化性能對比試驗）。

在進行上述三個實驗的過程中，興趣小組的學生表現(xiàn)出了很高的積極性，實驗材料很多都是學生自己準備的。初中化學是基礎化學，但探究的思想一定要滲透到學生的思維之中，這也是學科思想的呈現(xiàn)方式之一。學生通過自己動手進行實驗，不僅拓展了自己的知識，體會了實驗過程的快樂，感受到科學知識的嚴謹，還能夠激發(fā)學生的學習積極性，提升自身的科學素養(yǎng)。

教育的發(fā)展和社會對教育要求的提升，讓教育者越來越深刻地認識到，“僅僅靠課堂和書本遠遠滿足不了學生成長的需要”[5]，我們要努力給學生搭建更寬廣的實踐平臺，拓展學生的思想、實踐、創(chuàng)新等空間。而數(shù)字化實驗，正是這種平臺的一部分，應該在初中教育的實踐中得到拓展和延伸[6]。

（說明： 上述圖2、圖3、圖4中剛開始都有一段壓強直線上升的部分，這是由于注射器中的10mL液體推入圓底燒瓶時所產(chǎn)生的壓強變化，和實驗過程的測定結(jié)果無關。）

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準[S]. 北京： 北京師范大學出版社， 2011： 1～3.

[2][3]中學化學國家課程標準研制組. 義務教育課程標準實驗教科書·化學（九年級上冊第一版）[M]. 上海： 上海教育出版社， 2015： 36.

[4]許亮亮， 陳懿， 閔凱文. 海藻酸鈉微球催化過氧化氫分解實驗的研究[J]. 化學教學， 2018， （2）： 78～80.

[5]陳文強， 許序修. 人的個性發(fā)展不能僅靠學?！叭︷B(yǎng)”[J]. 人民教育， 2016， （9）： 46～48.

[6]陳乾， 王璐璐， 丁小婷， 彭實， 馬宏佳. 利用數(shù)字化實驗和手機軟件測定膽礬結(jié)晶水含量[J]. 化學教學， 2018， （8）： 75～76.