＊董媛 楊明

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料與化學(xué)學(xué)院 湖北 430074）

化學(xué)動(dòng)力學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)機(jī)理的科學(xué)領(lǐng)域?；瘜W(xué)反應(yīng)速率是指單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物消耗或生成物產(chǎn)生的數(shù)量。速率可以通過(guò)測(cè)量反應(yīng)物濃度或生成物濃度的變化來(lái)確定。速率常數(shù)表示單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度之間的關(guān)系，其大小反映了反應(yīng)的快慢。此外，化學(xué)動(dòng)力學(xué)還探索了反應(yīng)的活化能，即反應(yīng)需要克服的能壘。掌握化學(xué)動(dòng)力學(xué)的基本概念和原理有助于更好地理解和控制化學(xué)反應(yīng)，從而促進(jìn)科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展[1]。事實(shí)上，傳統(tǒng)大學(xué)化學(xué)授課更為側(cè)重概念和原理等基礎(chǔ)教學(xué)，教材中有應(yīng)用實(shí)例但無(wú)法及時(shí)反映現(xiàn)階段最新研究進(jìn)展。理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)新模式可實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)與實(shí)踐分析的有機(jī)融合，最大程度調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展自主學(xué)習(xí)。本文以反應(yīng)動(dòng)力學(xué)中阿倫尼烏斯公式與催化劑應(yīng)用探索為例，探討了理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式應(yīng)用方法及特點(diǎn)。

1.阿倫尼烏斯公式與催化劑教學(xué)知識(shí)點(diǎn)解析

(1)阿倫尼烏斯公式的解析與應(yīng)用分析

阿倫尼烏斯公式是由瑞典化學(xué)家阿倫尼烏斯在總結(jié)了大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上提出來(lái)的，是化學(xué)動(dòng)力學(xué)中用于描述化學(xué)反應(yīng)速率與溫度之間的重要公式。阿倫尼烏斯對(duì)化學(xué)和物理學(xué)領(lǐng)域做出了重要的貢獻(xiàn)。阿倫尼烏斯的科學(xué)精神對(duì)當(dāng)代大學(xué)生學(xué)習(xí)有眾多啟發(fā)：①堅(jiān)持不懈：阿倫尼烏斯的研究過(guò)程中充滿(mǎn)了挑戰(zhàn)和困難，但他始終堅(jiān)持不懈地追求科學(xué)真理。這激勵(lì)著當(dāng)代大學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到困難時(shí)要持之以恒，勇往直前。②跨學(xué)科思維：阿倫尼烏斯的研究跨越了多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，啟發(fā)了當(dāng)代大學(xué)生要培養(yǎng)跨學(xué)科的思維能力，將不同學(xué)科的知識(shí)和方法結(jié)合起來(lái)解決問(wèn)題。③創(chuàng)新思維：阿倫尼烏斯勇于挑戰(zhàn)傳統(tǒng)學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，提出了前瞻性的理論，鼓勵(lì)當(dāng)代大學(xué)生在學(xué)習(xí)和研究中保持開(kāi)放的思維，勇于創(chuàng)新和探索新的領(lǐng)域。

阿倫尼烏斯公式可以表示為如式（1）：

其中，k是反應(yīng)速率常數(shù)；A是指前因子；Ea是活化能；R是理想氣體常數(shù)；T是反應(yīng)溫度。反應(yīng)速率常數(shù)k隨著溫度的增加而增加。溫度升高可提高反應(yīng)物能量，使其更容易克服活化能壘，從而加快反應(yīng)速率。阿倫尼烏斯公式中的指數(shù)項(xiàng)exp(-Ea/RT)描述了反應(yīng)速率與溫度之間的指數(shù)關(guān)系，對(duì)于了解和控制化學(xué)反應(yīng)速率具有重要意義。首先，利用阿倫尼烏斯公式可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)條件的預(yù)測(cè)和優(yōu)化。通過(guò)測(cè)定不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)可以確定最適宜的反應(yīng)溫度，這對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中的反應(yīng)優(yōu)化和能源消耗的控制非常重要。其次，阿倫尼烏斯公式也可以用于推斷反應(yīng)機(jī)理。通過(guò)測(cè)定不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)計(jì)算反應(yīng)活化能?；罨艿拇笮∈峭茰y(cè)反應(yīng)轉(zhuǎn)化步驟和中間體的重要依據(jù)，對(duì)于反應(yīng)機(jī)理和路徑的理解意義重大。

(2)催化劑知識(shí)點(diǎn)的解析與應(yīng)用分析

催化劑通過(guò)改變化學(xué)反應(yīng)路徑降低反應(yīng)活化能，從而提高反應(yīng)速率，同時(shí)不被反應(yīng)消耗。首先，反應(yīng)物分子在催化劑表面被吸附，形成吸附物種。吸附使反應(yīng)物分子之間的距離縮短，增加了反應(yīng)的可能性。其次，在吸附態(tài)下，反應(yīng)物分子經(jīng)歷活化過(guò)程，使它們獲得足夠的能量，以克服活化能壘，進(jìn)而發(fā)生反應(yīng)。最后，產(chǎn)物從催化劑表面脫附，釋放出的活性位點(diǎn)再次吸附反應(yīng)物催化下一次反應(yīng)。催化劑在化學(xué)反應(yīng)中一般起到促進(jìn)作用。通過(guò)改變化學(xué)反應(yīng)的活化能，催化劑可以提高反應(yīng)速率并降低反應(yīng)所需的能量，在工業(yè)化學(xué)（合成甲醇、氨等化學(xué)合成）、環(huán)境保護(hù)（如汽車(chē)尾氣凈化）、可再生能源（如光催化制氫）和電化學(xué)（如燃料電池）等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。相對(duì)而言，傳統(tǒng)大學(xué)化學(xué)授課更為側(cè)重概念、機(jī)理等基礎(chǔ)性和原理性?xún)?nèi)容的講授。

2.化學(xué)動(dòng)力學(xué)的理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)新模式

化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論課程包含反應(yīng)速率基本概念、速率方程、阿倫尼烏斯方程及催化劑作用機(jī)理等內(nèi)容，理論性較強(qiáng)，傳統(tǒng)以課堂理論授課為主的教學(xué)模式難以讓學(xué)生真正吃透相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，無(wú)法與實(shí)際問(wèn)題較好的聯(lián)系在一起。而理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)新模式實(shí)現(xiàn)了課堂理論教學(xué)與實(shí)踐分析相融合的一體化教學(xué)，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)踐的觀察和思考理解化學(xué)動(dòng)力學(xué)的理論知識(shí)，真正體會(huì)理論知識(shí)的具體應(yīng)用[2]?？傮w來(lái)說(shuō)，理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式優(yōu)勢(shì)顯著。

（1）提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情和學(xué)習(xí)效率，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。理論讓實(shí)踐有跡可循，實(shí)踐讓理論豐富生動(dòng)。教學(xué)過(guò)程中引入大量的實(shí)踐輔助理論教學(xué)，可以讓理論知識(shí)具有豐富的畫(huà)面感和空間感，真正做到通俗易懂、深入淺出，提高學(xué)生對(duì)于新知識(shí)尤其是相對(duì)抽象的知識(shí)的理解程度，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情[3]。對(duì)學(xué)生而言，通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的授課方式，一方面可以讓學(xué)生學(xué)會(huì)活學(xué)活用；另一方面也可以教會(huì)學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)，利用理論知識(shí)解釋實(shí)際問(wèn)題。對(duì)老師而言，平面化的理論知識(shí)與立體化的實(shí)例相結(jié)合授課，極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容，調(diào)動(dòng)學(xué)生的求知欲從而提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果[4]。

（2）解決理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的問(wèn)題。大學(xué)化學(xué)中化學(xué)動(dòng)力學(xué)內(nèi)容相對(duì)抽象，部分同學(xué)難以真正掌握精髓，甚至少部分學(xué)生完全靠機(jī)械式記憶完成考試。針對(duì)此問(wèn)題，本課程中相當(dāng)一部分內(nèi)容如反應(yīng)速率、反應(yīng)活化能、催化劑作用及機(jī)理等教學(xué)內(nèi)容，每次課程均以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，通過(guò)生動(dòng)的實(shí)例帶動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，將現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的解釋與理論知識(shí)相互對(duì)應(yīng)，促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)向應(yīng)用能力的培養(yǎng)轉(zhuǎn)化。同時(shí)，通過(guò)實(shí)例教學(xué)進(jìn)一步深化理論教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，明白理論知識(shí)學(xué)習(xí)的重要性。

（3）教學(xué)模式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成效的影響。采用理論與實(shí)際相結(jié)合的教學(xué)方式，以緊跟我國(guó)先進(jìn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的實(shí)踐應(yīng)用為導(dǎo)向指導(dǎo)理論教授，通過(guò)熱點(diǎn)互動(dòng)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，將最新相關(guān)技術(shù)融入課堂教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)所想與國(guó)家發(fā)展關(guān)聯(lián)起來(lái)，深刻認(rèn)識(shí)技術(shù)創(chuàng)新對(duì)科技進(jìn)步的重要意義，目光長(zhǎng)遠(yuǎn)且胸懷理想，有效提升學(xué)生對(duì)國(guó)家建設(shè)的使命感，促進(jìn)其自主學(xué)習(xí)。采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的教育模式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，通過(guò)自主選題累計(jì)獲批各類(lèi)大學(xué)生科研項(xiàng)目8項(xiàng)，其中國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練重點(diǎn)項(xiàng)目3項(xiàng)、大學(xué)生自主創(chuàng)新資助計(jì)劃1項(xiàng)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金4項(xiàng)，所有項(xiàng)目均已結(jié)題，其中4個(gè)項(xiàng)目獲評(píng)優(yōu)秀。

3.理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式實(shí)施案例

以阿倫尼烏斯公式與催化劑應(yīng)用為例，使學(xué)生對(duì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用有了更深入的了解。阿倫尼烏斯公式是描述化學(xué)反應(yīng)速率的基本方程，通過(guò)具體案例的講解和實(shí)踐操作，學(xué)生能夠更加具體地理解這個(gè)公式的應(yīng)用和意義。同時(shí)，催化劑的應(yīng)用也是化學(xué)動(dòng)力學(xué)中重要的內(nèi)容之一，通過(guò)探索催化劑的作用機(jī)制和應(yīng)用領(lǐng)域，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與實(shí)際問(wèn)題相結(jié)合，培養(yǎng)解決實(shí)際化學(xué)反應(yīng)問(wèn)題的能力。有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)通過(guò)不飽和芳環(huán)有機(jī)分子催化加氫和催化脫氫從而實(shí)現(xiàn)氫氣的儲(chǔ)存與釋放。本文則以7-甲基咔唑催化加脫氫反應(yīng)為例，首先，利用反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算了反應(yīng)速率常數(shù)及表觀反應(yīng)活化能，其次以催化劑的實(shí)際應(yīng)用為例，用實(shí)例解釋催化劑的具體作用和重要性。有機(jī)液體儲(chǔ)氫分子為芳環(huán)不飽和分子，多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明初始反應(yīng)物的加氫和脫氫反應(yīng)均符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，即：

對(duì)式（2）變形得到反應(yīng)速率常數(shù)計(jì)算公式，即：

利用式（3）可以獲得不同反應(yīng)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)，根據(jù)阿倫尼烏斯式（4），則可推導(dǎo)得到該步反應(yīng)的表觀活化能，即：

圖1 （a）7-甲基吲哚加氫一階動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)及阿倫尼烏斯曲線(xiàn)；（b）全氫化7-甲基吲哚脫氫動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)及阿倫尼烏斯曲線(xiàn)

將不同溫度下的lnk對(duì)1/T作圖，通過(guò)擬合得到的直線(xiàn)斜率可計(jì)算得到表觀反應(yīng)活化能。7-甲基吲哚在無(wú)催化劑作用下無(wú)法實(shí)現(xiàn)氫化反應(yīng)和脫氫反應(yīng)，引入催化劑之后反應(yīng)能壘降低，可實(shí)現(xiàn)分子的氫化和脫氫反應(yīng)。7-甲基吲哚在Ru/Al2O3催化劑作用下，可在130～170℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)加氫。如圖1（a）所示，利用式（2）計(jì)算各個(gè)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)，利用式（3）可以推導(dǎo)獲得加氫反應(yīng)表觀活化能為8.6kJ/mol。

全氫化7-甲基吲哚在Pd/Al2O3催化劑作用下，可在170～200℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)脫氫。如圖1（b）所示，計(jì)算獲得不同反應(yīng)溫度下反應(yīng)速率常數(shù)，最終獲得脫氫反應(yīng)表觀活化能為11.2kJ/mol。通過(guò)計(jì)算7-甲基吲哚加氫和脫氫反應(yīng)的表觀反應(yīng)活化能，發(fā)現(xiàn)在所選的催化劑表面該分子具有較低的反應(yīng)能壘，從而使反應(yīng)易于進(jìn)行且能量消耗較低。這一發(fā)現(xiàn)為儲(chǔ)氫技術(shù)催化劑的篩選設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)。特別是，世界上首臺(tái)采用有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)的大巴車(chē)“泰歌號(hào)”的脫氫催化劑設(shè)計(jì)與此方法息息相關(guān)。

2016年8月，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）可持續(xù)能源實(shí)驗(yàn)室和同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院聯(lián)合開(kāi)展了有機(jī)液體供氫系統(tǒng)及供氫系統(tǒng)與燃料電池一體化控制系統(tǒng)的研發(fā)工作。隨后于2016年9月，全球首臺(tái)基于常壓有機(jī)液體儲(chǔ)氫技術(shù)供氫系統(tǒng)的氫能汽車(chē)工程樣車(chē)“泰歌號(hào)”在武漢上線(xiàn)，這一重要里程碑標(biāo)志著我國(guó)在“常溫常壓儲(chǔ)氫技術(shù)”商業(yè)化應(yīng)用上取得了重大突破。該汽車(chē)最核心的技術(shù)之一就是常溫常壓有機(jī)液體儲(chǔ)供氫系統(tǒng)，氫化的有機(jī)液體“氫油”進(jìn)入供氫系統(tǒng)反應(yīng)器，反應(yīng)器中填充了脫氫催化劑，在催化劑的作用下實(shí)現(xiàn)快速脫氫反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。釋放的氣體經(jīng)過(guò)氣液分離后直接進(jìn)入燃料電池發(fā)電，為“泰歌號(hào)”氫能汽車(chē)提供持續(xù)的氫燃料。

正是由于該汽車(chē)采用了自主研發(fā)的高效脫氫催化劑，有效降低脫氫反應(yīng)過(guò)程的“能壘”，其脫氫反應(yīng)的活化能較低，因此，能夠在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)高效釋放氫氣。通過(guò)上述具體實(shí)例，生動(dòng)地展示了理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式的具體應(yīng)用。運(yùn)用阿倫尼烏斯公式可以計(jì)算得到在某一催化劑表面反應(yīng)的表觀活化能，從而理解催化劑在反應(yīng)過(guò)程中的催化機(jī)理。

4.結(jié)論

本文旨在探索大學(xué)化學(xué)課程中化學(xué)動(dòng)力學(xué)的理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式。通過(guò)本文的研究和案例分析，可以得出：在大學(xué)化學(xué)課程中，將化學(xué)動(dòng)力學(xué)的理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式是一種有效的教學(xué)方法，能夠提高學(xué)生對(duì)化學(xué)動(dòng)力學(xué)基本概念和原理的理解和應(yīng)用能力。這種教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果，解決理論教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際應(yīng)用脫節(jié)的問(wèn)題，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)成效具有積極的影響。