沈劍

摘要： 化學(xué)反應(yīng)是存在歷程的，催化劑調(diào)控反應(yīng)速率也是通過(guò)改變了反應(yīng)歷程實(shí)現(xiàn)的。選用過(guò)氧化氫催化分解反應(yīng)為例，以深度學(xué)習(xí)的方式探究均相和非均相兩類(lèi)催化劑的催化過(guò)程。通過(guò)實(shí)驗(yàn)與文獻(xiàn)分析，結(jié)合宏觀現(xiàn)象和微觀分析，將催化劑參與反應(yīng)歷程這一事實(shí)可視化呈現(xiàn)，幫助學(xué)生理解這一抽象過(guò)程。同時(shí)通過(guò)模型構(gòu)建和知識(shí)遷移，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)科認(rèn)知和高階思維的層層進(jìn)階。

關(guān)鍵詞： 反應(yīng)歷程； 過(guò)氧化氫； 均相催化； 非均相催化

文章編號(hào)： 10056629（2023）07005705

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

深度學(xué)習(xí)指的是在原有知識(shí)基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)者能批判地接受新知識(shí)，并將前后進(jìn)行有效整合，構(gòu)建新的知識(shí)體系。并在知識(shí)遷移中不斷完善模型結(jié)構(gòu)和內(nèi)化認(rèn)知思維［1］。將深度學(xué)習(xí)的思想滲透到課堂教學(xué)的過(guò)程有助于提高學(xué)生獨(dú)立思考、動(dòng)手探究、問(wèn)題解決的能力，促進(jìn)他們的認(rèn)知方式從淺層記憶轉(zhuǎn)向概念核心本質(zhì)的高階發(fā)展。

1 主題分析

1.1 教學(xué)內(nèi)容分析

催化劑是影響反應(yīng)速率的重要因素之一，也是高中化學(xué)反應(yīng)原理模塊中的重要內(nèi)容。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中對(duì)“化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)的調(diào)控”的要求為：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)反應(yīng)速率的影響。知道催化劑可以改變反應(yīng)歷程，對(duì)調(diào)控反應(yīng)速率具有重要的意義［2］。這也是新課標(biāo)中首次將“化學(xué)反應(yīng)歷程”“基元反應(yīng)”等概念納入到高中化學(xué)教學(xué)中。高中教材上介紹催化劑改變反應(yīng)速率是通過(guò)參與反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)的活化能，使得反應(yīng)過(guò)程變得更加容易。然而在化學(xué)動(dòng)力學(xué)的教學(xué)中，依舊更傾向于強(qiáng)調(diào)反應(yīng)速率，而忽視了反應(yīng)歷程的重要性。

1.2 教學(xué)背景分析

反應(yīng)歷程屬于微觀和抽象概念，如果沒(méi)有具體的反應(yīng)例子，學(xué)生很難理解化學(xué)反應(yīng)并不都是直接一步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，而是通過(guò)一定的路徑分多步進(jìn)行。更不要說(shuō)催化劑能夠改變反應(yīng)歷程。因此該例子還需要具備簡(jiǎn)單直觀等特征。筆者查閱人教版、蘇教版、魯科版三本教材在該章節(jié)都選用了過(guò)氧化氫催化分解實(shí)驗(yàn)，但目的皆為探究催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)在教學(xué)中的功能并不僅局限于驗(yàn)證催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響。

不少研究者發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)中微小的異?，F(xiàn)象。向明禮等［3， 4］發(fā)現(xiàn)并探究碘化鉀催化過(guò)氧化氫分解中的異常副反應(yīng)，從側(cè)面證明了催化劑參與反應(yīng)歷程。朱偉長(zhǎng)［5］通過(guò)氨基羧酸鐵（Ⅲ）配合物催化分解過(guò)氧化氫實(shí)驗(yàn)中溶液由紫紅色變?yōu)辄S色的過(guò)程，說(shuō)明催化劑參與反應(yīng)并提出可能的機(jī)理。夏添［6］發(fā)現(xiàn)重鉻酸鉀催化過(guò)氧化氫過(guò)程中，溶液先變成棕褐色，隨著反應(yīng)進(jìn)行顏色逐漸變淺最終回到重鉻酸鉀的黃色。

本文通過(guò)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究、文獻(xiàn)研究等手段讓學(xué)生學(xué)習(xí)、理解、分析、評(píng)價(jià)過(guò)氧化氫均相催化和非均相催化兩個(gè)過(guò)程，從宏觀現(xiàn)象和微觀過(guò)程兩個(gè)角度幫助學(xué)生理解催化劑參與反應(yīng)歷程這一事實(shí)。

1.3 學(xué)情分析

該課程授課學(xué)段為浙江省高二年級(jí)，學(xué)生在此之前已經(jīng)掌握了外因?qū)Ψ磻?yīng)速率的影響規(guī)律，也知道催化劑參與反應(yīng)是通過(guò)降低反應(yīng)活化能這一結(jié)論。同時(shí)通過(guò)高一必修階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生也具備了一定的實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)探究能力。在認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)上，一方面能夠通過(guò)宏觀和微觀兩個(gè)視角來(lái)分析物質(zhì)變化和轉(zhuǎn)化；另一方面也能從反應(yīng)歷程、反應(yīng)速率視角分析反應(yīng)原理。然而學(xué)生的學(xué)習(xí)僅僅只停留在淺層學(xué)習(xí)，缺乏對(duì)所學(xué)知識(shí)的深度理解，對(duì)開(kāi)放性問(wèn)題缺乏合理的思路和方法，無(wú)法將所學(xué)的知識(shí)遷移應(yīng)用到新的情境中，難以構(gòu)建完整的學(xué)科體系和學(xué)科思維。因此以高階思維為主導(dǎo)的深度學(xué)習(xí)顯得特別重要且更有意義。

2 教學(xué)目標(biāo)確定

（1） 了解催化劑影響反應(yīng)速率是通過(guò)改變反應(yīng)歷程，并調(diào)節(jié)反應(yīng)的活化能。同時(shí)從定量的角度深度學(xué)習(xí)催化劑增大過(guò)氧化氫分解速率的程度。

（2） 通過(guò)了解過(guò)氧化氫被催化分解的均相催化和非均相催化過(guò)程，建立新舊知識(shí)的關(guān)聯(lián)，為深度學(xué)習(xí)、深度探究、深度思考的思維建立生長(zhǎng)點(diǎn)。

（3） 通過(guò)實(shí)驗(yàn)與文獻(xiàn)研究分析，對(duì)均相催化和非均相催化過(guò)程中的宏觀現(xiàn)象和微觀反應(yīng)歷程進(jìn)行探析，深入認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)，培養(yǎng)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

（4） 通過(guò)總結(jié)歸納，建立認(rèn)識(shí)催化劑參與反應(yīng)歷程的認(rèn)知模型，實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移。

3 深度學(xué)習(xí)教學(xué)任務(wù)及流程

基于教學(xué)主題分析，本文確定了以探究過(guò)氧化氫均相/非均相催化分解過(guò)程為情境的深度學(xué)習(xí)課堂教學(xué)，并設(shè)計(jì)了四個(gè)層層遞進(jìn)的深度學(xué)習(xí)任務(wù)。通過(guò)教師創(chuàng)設(shè)情境，提供實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)資料，引導(dǎo)學(xué)生從定性、定量、宏觀、微觀、建模等角度進(jìn)行一系列深度學(xué)習(xí)的活動(dòng)探究。學(xué)生通過(guò)合作提出假設(shè)、證據(jù)推斷、結(jié)論評(píng)價(jià)和總結(jié)歸納，進(jìn)一步理解與遷移運(yùn)用知識(shí)，也發(fā)展了“宏觀辨識(shí)與微觀探析”“證據(jù)推理與模型認(rèn)知”“科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任”等化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。具體教學(xué)任務(wù)及流程如圖1所示。

4 深度學(xué)習(xí)教學(xué)任務(wù)實(shí)施過(guò)程

4.1 任務(wù)一：定量分析催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響

［情境導(dǎo)入］教師實(shí)驗(yàn)展示“大象牙膏”實(shí)驗(yàn)。

［教師］大象牙膏的原理是過(guò)氧化氫、催化劑、發(fā)泡劑（洗發(fā)水等）混合時(shí)，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氧氣，使泡沫噴涌而出。

［設(shè)疑］催化劑影響反應(yīng)速率的原理是什么？并結(jié)合資料卡中的信息，思考如何定量速率的增加？

［資料卡］

資料卡：

阿倫尼烏斯公式：表示化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式

k=Ae-EaRT

其中k為速率常數(shù)，R為摩爾氣體常量，T為熱力學(xué)溫度，Ea為表觀活化能，A為指前因子（也稱(chēng)頻率因子）

［學(xué)生］催化劑降低了反應(yīng)的活化能，改變了反應(yīng)歷程。根據(jù)圖2資料卡的信息，要定量速率的增加，必須要知道活化能的數(shù)據(jù)。

［數(shù)據(jù)提供］20℃時(shí)H2O2分解活化能：Ea1=75kJ/mol（未加催化劑）、Ea2=58kJ/mol（以MnO2催化為例）。

［學(xué)生作答展示］見(jiàn)圖3。

［設(shè)疑］大家所熟知的催化過(guò)氧化氫分解反應(yīng)的催化劑種類(lèi)有哪幾類(lèi)？

4.2 任務(wù)二：探究過(guò)氧化氫均相催化分解過(guò)程

［教師］在大家列舉的催化劑中按照與過(guò)氧化氫的互溶性可以分為兩類(lèi)。我們把與催化底物互溶的催化劑稱(chēng)為均相催化劑，如FeCl3、 KI、 CuSO4等。而與催化底物不相溶的催化劑稱(chēng)為非均相催化劑，如MnO2、 Fe2O3、 CuO等。

［設(shè)疑］上述均相催化劑在催化過(guò)氧化氫分解過(guò)程中除了產(chǎn)生氧氣速率增大還有什么其他的現(xiàn)象？我們既然說(shuō)催化劑調(diào)控反應(yīng)速率是參與反應(yīng)改變了歷程。那么歷程改變了是否會(huì)出現(xiàn)特殊的現(xiàn)象？

［學(xué)生］催化劑確實(shí)能改變反應(yīng)歷程，但如果組成該反應(yīng)的多步基元反應(yīng)路徑都是快反應(yīng)，那也很難看到特殊現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)化學(xué)真理的手段，必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

［實(shí)驗(yàn)操作及現(xiàn)象］分別吸取15mL 15%的過(guò)氧化氫溶液和15mL蒸餾水（對(duì)照組）加到兩塊表面皿中。然后分別往里面加入2mL 5%的氯化鐵溶液（黃色）。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象見(jiàn)圖4。

［設(shè)疑］根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中顏色的改變能說(shuō)明什么問(wèn)題？

［學(xué)生1］過(guò)氧化氫溶液中滴加氯化鐵溶液的顏色變?yōu)樯铉晟?，但此時(shí)并無(wú)氣泡產(chǎn)生，說(shuō)明形成了琥珀色中間體。隨著反應(yīng)進(jìn)行，溶液顏色加深并逐漸產(chǎn)生大量氣泡。溶液顏色最深時(shí)，氣泡產(chǎn)生的速率也最快。

此時(shí)說(shuō)明琥珀色中間體可能開(kāi)始發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，同時(shí)產(chǎn)生顏色更深的物質(zhì)。最終隨著氣泡產(chǎn)生的停止，溶液的顏色重新回到三價(jià)鐵離子顏色與對(duì)照組相同。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程證明了催化劑參與了反應(yīng)，并存在多步基元反應(yīng)的歷程。

［學(xué)生2］顏色的改變不足以作為改變反應(yīng)歷程的證據(jù)，因?yàn)闊o(wú)法檢測(cè)到中間體的存在。

［教師］通過(guò)查閱文獻(xiàn)，目前認(rèn)為氯化鐵催化過(guò)氧化氫分解機(jī)理可能是通過(guò)下述（見(jiàn)圖5）類(lèi)芬頓自由基的過(guò)程［7］。

［學(xué)生］三價(jià)鐵離子的水解階段溶液中產(chǎn)生的微粒共同組成了我們所看到的三價(jià)鐵水溶液的顏色。而從引發(fā)階段產(chǎn)生的三價(jià)鐵的過(guò)渡絡(luò)合離子中間體來(lái)看，可能的顏色變化來(lái)自［FeⅢ（HO2）］2+、 ［FeⅢ（OH）（HO2）］+

水解階段：

Fe3++H2OFeOH2++H+

Fe3++2H2OFeO2H+2+2H+

2Fe3++2H2OFe2（OH）4+2+2H+

類(lèi)芬頓（Fentou）引發(fā)階段：

Fe3++H2O2FeⅢ（HO2）2++H+

FeOH2++H2O2FeⅢ（OH）（HO2）++H+

FeⅢ（HO2）2+Fe2++O-2·+H+

FeⅢ（OH）（HO2）+Fe2++O-2·+H2O

芬頓反應(yīng)階段：

Fe2++H2O2Fe3++·OH+OH-

O-2·+·OHO2+OH-

這些中間體的顏色。因此結(jié)合反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)現(xiàn)象能夠說(shuō)明催化劑確實(shí)參與了反應(yīng)歷程。至于催化劑直接降低了哪一步的活化能還需要查閱更多文獻(xiàn)。

［學(xué)生歸納并評(píng)價(jià)］均相催化劑與反應(yīng)物在同一相中接觸并參與反應(yīng)，改變反應(yīng)歷程將反應(yīng)分為多步。降低了反應(yīng)的活化能。雖然導(dǎo)致反應(yīng)路徑增加，但總的結(jié)果是增大了反應(yīng)速率。優(yōu)點(diǎn)：催化劑與底物處于同一相能有效地增大接觸面積，少量催化劑即可達(dá)到催化效果。缺點(diǎn)：反應(yīng)后難以分離回收，不利于催化劑的重復(fù)利用。

4.3 任務(wù)三：探究過(guò)氧化氫非均相催化分解過(guò)程

［設(shè)疑］二氧化錳屬于過(guò)氧化氫的非均相催化劑，回憶二氧化錳加到過(guò)氧化氫溶液中與上述均相催化過(guò)程是否一致？

［學(xué)生］非均相催化實(shí)驗(yàn)在宏觀上可觀察到氣泡是在催化劑表面產(chǎn)生而非整個(gè)溶液體系。同時(shí)并無(wú)均相催化過(guò)程中那樣豐富的顏色轉(zhuǎn)變。

［學(xué)生］唯一能猜測(cè)的是催化過(guò)程可能在催化劑的表面進(jìn)行，如果能夠觀測(cè)到催化劑表面的微觀過(guò)程那么就能了解催化劑是否參與了反應(yīng)。

［教師］通過(guò)查閱文獻(xiàn)，科學(xué)家們研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)氧化氫在Pd（鈀）催化劑表面的微觀過(guò)程見(jiàn)圖6［8］。

［設(shè)疑］根據(jù)圖6，分析梳理過(guò)氧化氫在Pd表面的催化過(guò)程。

［學(xué)生］首先步驟1游離的過(guò)氧化氫分子被催化劑的表面吸附，這種吸附作用剛開(kāi)始可能是物理吸附，但隨著過(guò)氧化氫的兩個(gè)氧原子都被吸附后，氧原子之間的過(guò)氧鍵被削弱，而催化劑表面與氧原子開(kāi)始形成以化學(xué)鍵為基礎(chǔ)的化學(xué)吸附。緊接著步驟2～4過(guò)氧化氫分子在催化劑的表面發(fā)生反應(yīng)最終產(chǎn)生O*。重復(fù)步驟14產(chǎn)生另一個(gè)自由基O*，隨著兩個(gè)自由基O*相互成鍵形成O*2， O*與催化劑表面的化學(xué)吸附逐漸轉(zhuǎn)化為物理吸附。最后經(jīng)過(guò)步驟6脫附過(guò)程，擴(kuò)散離開(kāi)催化劑表面完成整個(gè)反應(yīng)。

［追疑］根據(jù)反應(yīng)過(guò)程的能量變化（見(jiàn)圖7），找出該催化過(guò)程的決速步驟，并分析原因。

［學(xué)生］兩個(gè)H2O*2在催化劑表面形2個(gè)OH*的過(guò)程為反應(yīng)的決速步。（1）從相對(duì)能量的角度：該過(guò)程反應(yīng)的相對(duì)能量最大。（2）從圖6的反應(yīng)歷程來(lái)看，一個(gè)H2O2只能在催化劑表面形成一個(gè)O*自由基，而形成的O*自由基會(huì)占據(jù)催化劑表面的位點(diǎn)，同時(shí)生成的O*2也占據(jù)著催化劑表面的位點(diǎn)。因此導(dǎo)致H2O2與催化劑的吸附過(guò)程變緩慢，進(jìn)而解離生成OH*的過(guò)程變得更慢。

［學(xué)生歸納并評(píng)價(jià)］非均相催化過(guò)程在催化劑表面發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)歷程經(jīng)歷（1）底物擴(kuò)散至催化劑表面；（2）催化劑與底物吸附；（3）催化劑表面反應(yīng)；（4）產(chǎn)物與催化劑解離；（5）產(chǎn)物的擴(kuò)散等步驟。優(yōu)點(diǎn)：非均相催化劑與底物處于不同相，容易實(shí)現(xiàn)催化劑的回收利用。缺點(diǎn)：固相表面積有限、易產(chǎn)生副反應(yīng)。

4.4 任務(wù)四：模型構(gòu)建—知識(shí)遷移

［引入新情境］參照過(guò)氧化氫催化分解過(guò)程對(duì)合成氨的催化過(guò)程作分析。

［學(xué)生模型建構(gòu)］詳見(jiàn)圖8。

［學(xué)生課后任務(wù)］收集資料并分析合成氨表面催化過(guò)程機(jī)理。

5 教學(xué)效果與反思

5.1 教學(xué)效果

本教學(xué)案例以發(fā)展學(xué)生的高階思維為核心，指向知識(shí)遷移的深度學(xué)習(xí)。通過(guò)宏觀微觀角度重新探尋過(guò)氧化氫催化分解過(guò)程，深入認(rèn)識(shí)催化劑參與反應(yīng)歷程的本質(zhì)。首先通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生觀察過(guò)氧化氫催化分解中的顏色變化現(xiàn)象，提出催化劑參與反應(yīng)歷程形成中間體的猜想假設(shè)；然后根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道中的機(jī)理驗(yàn)證猜想，發(fā)展學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究思維；再通過(guò)非均相催化過(guò)程與均相催化過(guò)程的現(xiàn)象差異，引導(dǎo)學(xué)生探究非均相催化劑參與反應(yīng)的微觀歷程；

最后通過(guò)建立催化劑參與反應(yīng)歷程的認(rèn)識(shí)模型，實(shí)現(xiàn)從特殊到一般的辯證認(rèn)識(shí)的深度學(xué)習(xí)過(guò)程。學(xué)生在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)習(xí)像科學(xué)家那樣思考問(wèn)題、研究問(wèn)題和解決問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)學(xué)生化學(xué)學(xué)科思維從觀察宏觀現(xiàn)象到思考微觀本質(zhì)再上升到形成原理和理論的層層遞進(jìn)。

5.2 教學(xué)反思

要實(shí)現(xiàn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，教師必須先要深度選材、深度備課才能有深度教學(xué)。本文選取過(guò)氧化氫催化分解實(shí)驗(yàn)作為知識(shí)的載體原因有兩點(diǎn)：（1）過(guò)氧化氫分解實(shí)驗(yàn)學(xué)生比較熟悉，在看到伴隨顏色變化的現(xiàn)象和自己認(rèn)為的只有氣泡產(chǎn)生加快的現(xiàn)象發(fā)生沖突時(shí)，引發(fā)了學(xué)生強(qiáng)烈的探究興趣；（2）過(guò)氧化氫催化分解實(shí)驗(yàn)，教師要比學(xué)生更加熟悉，反應(yīng)雖然簡(jiǎn)單，但對(duì)原理的研究一直在持續(xù)更新報(bào)道。因此教學(xué)設(shè)計(jì)的過(guò)程，也是授課者深度研究、深度挖掘、深度思考、深度反思、深度總結(jié)的過(guò)程。

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［8］Anthony Plauck， Eric E． Stangland， James A． Dumesic， et al.. Active sites and mechanisms for H2O2 decomposition over Pd catalysts ［J］． Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2016， 114（14）： 1973～1982．