夏添

摘要：在高三二輪專題復(fù)習(xí)課教學(xué)中，以催化劑相關(guān)真實(shí)問題情景為載體，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)（發(fā)生、過程、結(jié)果）的調(diào)控，抽提出學(xué)科大概念，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生對(duì)催化劑的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)和思維的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：催化劑；專題復(fù)習(xí)；大概念；教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)：1008-0546（2022）01-0060-05中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2022.01.015

催化劑的研究和開發(fā)，是現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的核心問題之一，高考中相關(guān)知識(shí)的考查也從簡(jiǎn)單概念判斷轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、圖像分析與繪制等綜合考查[1]，所涉及到的情景素材多來源于前沿學(xué)術(shù)期刊、工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，陌生度高、知識(shí)點(diǎn)分散、綜合性強(qiáng)，學(xué)生解決起來常常感到較為困難。近幾年，與催化劑教學(xué)相關(guān)研究主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：①對(duì)催化劑相關(guān)迷思概念、認(rèn)知困境的研究，如范曉鳳，姜雪琴對(duì)催化劑認(rèn)識(shí)中常見迷思概念進(jìn)行了辨析[2]；吳晗清，李豆豆對(duì)學(xué)生存在催化劑相關(guān)認(rèn)知困境進(jìn)行了實(shí)證研究，并提出針對(duì)性教學(xué)建議[1]。②以案例為主的化學(xué)教學(xué)嘗試，如金雄鷹，毛楊林探討了催化劑整合式教學(xué)復(fù)習(xí)[3]；江合佩，劉炯明，鄭玉海以“合成氨的反應(yīng)歷程分析”為例，提供了動(dòng)力學(xué)催化劑反應(yīng)機(jī)理專題復(fù)習(xí)的操作模式和教學(xué)案例[4]。③與催化劑相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，如豆真，高洪芳利用手持技術(shù)對(duì)不同催化劑對(duì)雙氧水的催化作用進(jìn)行了比較[5]。相關(guān)文獻(xiàn)缺乏對(duì)催化劑所承載的學(xué)科大概念及對(duì)“化學(xué)反應(yīng)條件調(diào)控化學(xué)反應(yīng)”的結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)。為此，本文以大概念為統(tǒng)領(lǐng)，以催化劑相關(guān)真實(shí)問題情景為載體，就如何在高三二輪專題復(fù)習(xí)課教學(xué)中幫助學(xué)生完善知識(shí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展，形成分析和解決相關(guān)問題的思路和方法展開探討。

一、“從催化劑角度看化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控”相關(guān)知識(shí)分析

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）[6]在化學(xué)反應(yīng)的方向、限度和速率主題中對(duì)“化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控”的內(nèi)容要求為：認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的綜合調(diào)控在生產(chǎn)、生活和科學(xué)研究中的重要作用。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。

從學(xué)科知識(shí)角度看，化學(xué)反應(yīng)條件是影響化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生、過程（反應(yīng)快慢、反應(yīng)歷程）及結(jié)果（反應(yīng)產(chǎn)物、能量轉(zhuǎn)化、反應(yīng)程度等）的因素[7]。催化劑是重要的化學(xué)反應(yīng)（外在）條件，其對(duì)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控有著重要意義。催化劑通過參與反應(yīng)改變化學(xué)反應(yīng)歷程；通過改變反應(yīng)活化能來改變反應(yīng)速率；催化劑不能改變化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù)，不能改變平衡的轉(zhuǎn)化率。但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，為提高生產(chǎn)效率，經(jīng)常未平衡就進(jìn)行后續(xù)反應(yīng)，此時(shí)催化劑的使用能加快反應(yīng)速率，提高單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率（產(chǎn)率）；同時(shí)在給定條件下反應(yīng)物之間如果同時(shí)發(fā)生多個(gè)反應(yīng)，選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎┠芴岣叻磻?yīng)的選擇性，從而提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率。

從教材看，催化劑相關(guān)知識(shí)跨越三個(gè)年級(jí)：人教版《化學(xué)》（九年級(jí)上）通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)了MnO2是H2O2分解反應(yīng)催化劑，并進(jìn)而給出催化劑的概念；人教版《化學(xué)》必修第二冊(cè)以探究實(shí)驗(yàn)的形式認(rèn)識(shí)可以改變反應(yīng)條件（濃度，溫度，催化劑）來調(diào)控反應(yīng)速率；人教版《化學(xué)》選擇性必修1介紹了化學(xué)反應(yīng)速率與活化能關(guān)系以及催化劑改變反應(yīng)歷程、降低反應(yīng)活化能示意圖。鑒于教材知識(shí)零散、淺顯，而高考考題綜合、深入的特點(diǎn)，基于新課標(biāo)“重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化”“教師在組織教學(xué)內(nèi)容時(shí)應(yīng)高度重視化學(xué)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，充分認(rèn)識(shí)知識(shí)結(jié)構(gòu)化對(duì)于學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的重要性”[6]的要求，在高三二輪專題復(fù)習(xí)課中有必要從學(xué)科大概念的視角重新梳理相關(guān)內(nèi)容（見圖1），形成關(guān)注學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)化、認(rèn)識(shí)思路結(jié)構(gòu)化的教學(xué)，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

二、學(xué)情分析

在高三階段，學(xué)生通過之前的學(xué)習(xí)，對(duì)催化劑知識(shí)有一定的了解，如：知道催化劑加快反應(yīng)速率；催化劑反應(yīng)前后質(zhì)量和性質(zhì)不發(fā)生變化；催化劑可降低反應(yīng)活化能等；并能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。

學(xué)生學(xué)習(xí)的困難主要在于：部分同學(xué)未形成催化劑參與反應(yīng)的認(rèn)識(shí)，對(duì)催化機(jī)理理解不清晰；大多數(shù)同學(xué)認(rèn)為催化劑不能改變反應(yīng)的產(chǎn)率，對(duì)催化劑能改變未平衡時(shí)單位時(shí)間產(chǎn)率，提高主反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)率不能理解。

三、大概念統(tǒng)攝下“從催化劑角度看化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控”教學(xué)實(shí)踐

在高三二輪專題復(fù)習(xí)課中通過H2O2分解反應(yīng)中系列真實(shí)問題的具體解決引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)（發(fā)生、過程、結(jié)果）的調(diào)控，抽提出“催化劑是化學(xué)反應(yīng)條件之一，選用合適催化劑，對(duì)調(diào)控化學(xué)反應(yīng)具有重要意義”的概念，再通過知識(shí)間縱向向上的聯(lián)系，抽象概括出“化學(xué)反應(yīng)是有條件的，化學(xué)反應(yīng)是可調(diào)控的”的學(xué)科大概念，從而實(shí)現(xiàn)催化劑相關(guān)知識(shí)結(jié)構(gòu)化改造；同時(shí)將抽象概括獲得的大概念用于指導(dǎo)解決工業(yè)催化劑使用中的實(shí)際問題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)縱向向下的聯(lián)系，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生學(xué)科能力與學(xué)科思維的發(fā)展。教學(xué)過程中的學(xué)習(xí)任務(wù)及主要活動(dòng)如下：

環(huán)節(jié)一：認(rèn)識(shí)催化反應(yīng)歷程

【問題1】結(jié)合你所學(xué)的知識(shí)，分析H2O2和K2Cr2O7反應(yīng)嗎？若反應(yīng)，請(qǐng)你預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

【學(xué)生活動(dòng)1-1】學(xué)生依據(jù)已有氧化還原反應(yīng)知識(shí)，推測(cè)H2O2和K2Cr2O7發(fā)生氧化還原反應(yīng)，H2O2被氧化成O2，Cr2O72-被還原成Cr3+，溶液中有氣泡產(chǎn)生，溶液顏色變?yōu)榫G色。

【學(xué)生活動(dòng)1-2】完成分組實(shí)驗(yàn)：分別向兩支裝有2 mL 5%的H2O2、2 mL蒸餾水的試管中加入等量0.1 mol/L K2Cr2O7溶液。學(xué)生觀察到：試管1（H2O2溶液中加入K2Cr2O7溶液）中，溶液立即變?yōu)樽睾稚?，一段時(shí)間后，逐漸產(chǎn)生大量使帶火星木條復(fù)燃的氣體，溶液顏色慢慢變淺，6分鐘后溶液顏色與試管2（蒸餾水中加入K2Cr2O7溶液）中顏色幾乎一樣（見圖2）。

【問題2】分析K2Cr2O7在反應(yīng)中的作用，談?wù)勀愕呐袛嗬碛伞?/p>

【學(xué)生活動(dòng)2-1】K2Cr2O7參與反應(yīng)，加快了H2O2分解速率，在反應(yīng)中做催化劑。

【追問】K2Cr2O7參與反應(yīng)，是反應(yīng)的反應(yīng)物又是生成物，加快了反應(yīng)速率，是否就能證明K2Cr2O7是催化劑？

【學(xué)生活動(dòng)2-2】還需要檢驗(yàn)K2Cr2O7反應(yīng)前后質(zhì)量和性質(zhì)是否發(fā)生變化。試管1、2對(duì)比，溶液顏色幾乎一樣，說明兩支試管中K2Cr2O7中濃度基本相同，質(zhì)量基本不變；取少許試管1反應(yīng)后溶液滴加入試管3（裝有2 mL 5%的H2O2溶液），發(fā)現(xiàn)再次出現(xiàn)活動(dòng)1-2中實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，推測(cè)K2Cr2O7反應(yīng)前后性質(zhì)未發(fā)生變化。

【展示】利用色度傳感器分別測(cè)定一段時(shí)間試管1、2中溶液色度，結(jié)果見圖3，進(jìn)一步證明反應(yīng)前后K2Cr2O7反應(yīng)前后質(zhì)量未發(fā)生變化。

【追問】催化劑參與反應(yīng)，加快反應(yīng)速率，反應(yīng)前后質(zhì)量、性質(zhì)均未發(fā)生變化，是否說明催化劑可以無(wú)限循環(huán)使用？

【學(xué)生活動(dòng)2-3】閱讀材料“催化劑的活性和失活”（見圖4），獲取知識(shí)：催化劑活性受溫度、粒徑大小等因素影響；外界條件可導(dǎo)致催化劑失活。

【學(xué)生活動(dòng)4】學(xué)生繪制、展示“反應(yīng)過程—能量”示意圖。加入催化劑后，反應(yīng)速率加快，降低反應(yīng)活化能。反應(yīng)i速率快于反應(yīng)ii，圖示中反應(yīng)i活化能應(yīng)低于反應(yīng)ii。

【問題5】在整個(gè)催化過程中，哪些量發(fā)生變化，哪些沒變？

【學(xué)生活動(dòng)5】加入催化劑后，反應(yīng)活化能減小，反應(yīng)速率加快；反應(yīng)物、生成物能量不發(fā)生改變，反應(yīng)ΔH不變；反應(yīng)達(dá)平衡后，K值不變，平衡轉(zhuǎn)化率不變。

【展示】100℃時(shí)，在不同金屬離子存在下，純過氧化氫24小時(shí)的分解率見表1。

【問題6】分析圖表數(shù)據(jù)，你能獲得哪些信息？

【學(xué)生活動(dòng)6-1】不是所有金屬離子都可用作過氧化氫分解的催化劑；同一反應(yīng)可以有多種催化劑；不同催化劑催化效果不同。

【追問】為何24小時(shí)過氧化氫分解率不同？

【學(xué)生活動(dòng)6-2】24小時(shí)過氧化氫分解反應(yīng)未達(dá)平衡，催化劑加快反應(yīng)速率，可加大相同時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率。不同催化劑催化效果不同，單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率不同。

設(shè)計(jì)意圖：認(rèn)識(shí)催化劑通過降低活化能，加快反應(yīng)速率；學(xué)會(huì)利用“能量-反應(yīng)歷程”示意圖表征催化機(jī)理；深化催化劑與轉(zhuǎn)化率之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

環(huán)節(jié)三：認(rèn)識(shí)催化劑的選擇性

【展示】甲苯和氯氣可以發(fā)生如下反應(yīng)：

【問題7】加入FeCl3后，主要發(fā)生哪個(gè)反應(yīng)？體現(xiàn)了催化劑的什么性質(zhì)？

【學(xué)生活動(dòng)7】加入FeCl3后，主要發(fā)生反應(yīng)ii，體現(xiàn)了催化劑的選擇性。

【過渡】在工業(yè)生產(chǎn)中，選用合適的催化劑可以提高反應(yīng)的選擇性，從而提高目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率。

【總結(jié)】構(gòu)建大概念統(tǒng)攝下“從催化劑角度看化學(xué)反應(yīng)調(diào)控”認(rèn)識(shí)模型。（見圖5）

設(shè)計(jì)意圖：認(rèn)識(shí)催化劑的選擇性，建構(gòu)“從催化劑角度看化學(xué)反應(yīng)調(diào)控”的認(rèn)識(shí)模型。

環(huán)節(jié)四：為反應(yīng)選催化劑

某實(shí)驗(yàn)控制壓強(qiáng)一定，CO2和H2初始投料比一定，按一定流速通過不同催化劑，經(jīng)過相同時(shí)間測(cè)得如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見表2）（反應(yīng)未達(dá)到平衡狀態(tài)）：

【問題8】請(qǐng)為反應(yīng)選擇合適的催化劑，談?wù)勀愕睦碛伞?/p>

【學(xué)生活動(dòng)8】選擇催化劑2，原因是相同溫度、時(shí)間內(nèi)CO2的轉(zhuǎn)化率變化不大而甲醇的選擇性明顯增大。

【問題9】分析選用相同催化劑時(shí)，升高溫度，CO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率提高而甲醇的選擇性降低的原因。

【學(xué)生活動(dòng)9】升高溫度，反應(yīng)ⅰ、ⅱ速率都增大，但反應(yīng)ⅱ速率增大得更多。

【演示實(shí)驗(yàn)】向裝有2 mL 5 %的H2O2溶液的試管中加入0.1mol/L酸性K2Cr2O7溶液。

【學(xué)生活動(dòng)10】觀察到溶液中出現(xiàn)大量氣泡，溶液顏色變綠，推測(cè)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到其它反應(yīng)條件（濃度、溫度、酸堿性）等也能夠調(diào)控化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生、過程和結(jié)果。

設(shè)計(jì)意圖：鞏固提升，基于催化劑認(rèn)識(shí)模型解決復(fù)雜真實(shí)問題，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控。

四、結(jié)束語(yǔ)

本節(jié)課是大概念統(tǒng)攝下高三二輪專題復(fù)習(xí)課的一次嘗試，在教學(xué)過程中并未對(duì)催化劑的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行面面俱到的復(fù)習(xí)，而是選取與大概念、概念建構(gòu)相關(guān)的教學(xué)情景進(jìn)行深入挖掘。整節(jié)課引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷了從具體事實(shí)中抽提大概念和運(yùn)用大概念指導(dǎo)、解決具體問題的過程，對(duì)高三學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的建構(gòu)、思維的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用。隨著高三學(xué)生認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深入，還可以繼續(xù)針對(duì)“化學(xué)反應(yīng)是有條件的，化學(xué)反應(yīng)是可調(diào)控的”這一大概念背后的內(nèi)容、認(rèn)識(shí)角度進(jìn)行拓展和豐富。

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