對(duì)催化劑的拓展探究

沈銀行

摘要： 闡釋了如何運(yùn)用手持技術(shù)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，對(duì)催化劑的種類(lèi)、用量以及活性三大因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)照和分析，從而使學(xué)生體驗(yàn)探究過(guò)程，形成探究思路，理解探究實(shí)質(zhì)，提升化學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)探究; 催化劑種類(lèi); 催化劑用量; 催化劑活性

文章編號(hào)： 10056629（2019）9007904? ? ? ? ? ? 中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

科學(xué)探究對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)自然科學(xué)所產(chǎn)生的積極影響是毋庸置疑的?？茖W(xué)探究是一種重要的學(xué)習(xí)方法，也是學(xué)生理解知識(shí)、體驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程的重要途徑?！傲x務(wù)教育階段化學(xué)課程中的科學(xué)探究，是學(xué)生積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)化學(xué)知識(shí)、認(rèn)識(shí)和解決化學(xué)問(wèn)題的重要實(shí)踐活動(dòng)”，“科學(xué)探究對(duì)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)具有不可替代的作用”[1]。但對(duì)現(xiàn)行的初中化學(xué)教材進(jìn)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(shí)驗(yàn)的比例明顯不足，實(shí)驗(yàn)方式仍以教師演示、學(xué)生觀察為主。滬教版九年級(jí)教材中，雖然明確了學(xué)生必做的八大基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，但這些實(shí)驗(yàn)主要還是以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主。因此，在初中化學(xué)教學(xué)過(guò)程中，教師應(yīng)該利用各種條件，創(chuàng)造各種因素，努力挖掘探究性實(shí)驗(yàn)，以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科思想，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

催化劑的相關(guān)知識(shí)在初中化學(xué)教材中出現(xiàn)并不多，滬教版九年級(jí)上冊(cè)有這樣的一段敘述： 研究表明，在雙氧水制取氧氣的反應(yīng)中，加入二氧化錳能加速過(guò)氧化氫的分解。在反應(yīng)前后，二氧化錳的質(zhì)量保持不變，化學(xué)性質(zhì)也沒(méi)有發(fā)生改變。這種在化學(xué)反應(yīng)中能增大化學(xué)反應(yīng)速率，但本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒(méi)有發(fā)生變化的物質(zhì)稱(chēng)為催化劑。在實(shí)驗(yàn)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(yīng)中二氧化錳也是催化劑[2]。查閱相關(guān)資料可以知道： 催化劑又稱(chēng)觸媒，可分為正催化劑和逆催化劑，正催化劑有助于反應(yīng)向正方向移動(dòng)（即加快反應(yīng)速率），逆催化劑有助于反應(yīng)向逆方向移動(dòng)（即減慢反應(yīng)速率）。酶是生物催化劑，是植物、動(dòng)物和微生物產(chǎn)生的具有催化能力的有機(jī)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(chēng)酵素。滬教版化學(xué)教材九年級(jí)下冊(cè)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(shí)驗(yàn)，就是在數(shù)字化儀器的幫助下，利用實(shí)驗(yàn)室或日常生活中能夠獲得的材料，對(duì)催化劑這一知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行的拓展探究。

1? 實(shí)驗(yàn)一： 對(duì)催化劑用量的探究

查閱資料，對(duì)催化劑的定義，涉及的說(shuō)法種類(lèi)很多： 傅獻(xiàn)彩（物理化學(xué)家和化學(xué)教育家）認(rèn)為，如果把某種物質(zhì)（可以是一種或幾種）加入到化學(xué)反應(yīng)體系中，能改變化學(xué)反應(yīng)速率，而本身在化學(xué)反應(yīng)前后沒(méi)有數(shù)量上的變化，同時(shí)也沒(méi)有化學(xué)性質(zhì)的改變，這種物質(zhì)稱(chēng)為催化劑;王桂茹（著有《催化劑與催化作用》）對(duì)催化劑定義為，催化劑是一種能改變一個(gè)化學(xué)反應(yīng)速率，卻不改變化學(xué)熱力學(xué)平衡位置，本身在化學(xué)反應(yīng)中不被明顯消耗的物質(zhì);廖代偉（廈門(mén)大學(xué)化學(xué)系教授，物理化學(xué)研究所所長(zhǎng)）提出，催化劑是一種加快反應(yīng)速率，控制反應(yīng)方向或產(chǎn)物組成，而不影響化學(xué)平衡，在總反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量表達(dá)式中反映不出來(lái)，即在反應(yīng)中不會(huì)被消耗的物質(zhì)。

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

1.1? 提出問(wèn)題

（1） 通過(guò)對(duì)教材中實(shí)驗(yàn)室制取氧氣（二氧化錳催化過(guò)氧化氫分解）的反應(yīng)，取用不同質(zhì)量的催化劑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，探究催化劑的用量對(duì)反應(yīng)速率的影響。

（2） 學(xué)會(huì)使用控制變量法研究化學(xué)反應(yīng)，形成科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

1.2? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1? 儀器和藥品

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

1.2.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示。

1.2.3? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 用電子天平（精確度為0.01g）分別準(zhǔn)確稱(chēng)量二氧化錳粉末0.03g、 0.06g、 0.12g（注意稱(chēng)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(shí)，要將稱(chēng)量紙彈一下，以保證固體粉末不會(huì)粘在紙上），并將稱(chēng)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(zhǔn)確量取10mL 3%的雙氧水，注意取用過(guò)程中要將注射器中出現(xiàn)的氣泡趕掉，微調(diào)時(shí)可以轉(zhuǎn)動(dòng)活塞。

（3） 按照?qǐng)D1搭配好裝置，先將3個(gè)壓強(qiáng)傳感器連接到各自的數(shù)據(jù)采集器上，然后同時(shí)將三支注射器中的雙氧水分別注入圓底燒瓶，關(guān)閉活塞，同時(shí)利用壓強(qiáng)傳感器和數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)測(cè)量密閉容器中的氣壓隨時(shí)間變化情況（注： 實(shí)驗(yàn)時(shí)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(guò)氧化氫發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)生氧氣，隨著催化劑二氧化錳的用量增加，反應(yīng)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(wú)關(guān)。

1.2.6? 拓展延伸

催化劑的用量與催化效率的關(guān)系是一個(gè)很值得研究的命題，上述實(shí)驗(yàn)中，從

數(shù)據(jù)處理后所得的圖像中（見(jiàn)圖2），我們可以認(rèn)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(guò)這樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)就得出反應(yīng)物與催化劑用量之間的關(guān)系，但我們可以嘗試運(yùn)用這樣的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

2? 實(shí)驗(yàn)二： 對(duì)催化劑種類(lèi)的探究

2.1? 提出問(wèn)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(shè)

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(lèi)的物質(zhì)與相同濃度、相同體積的雙氧水混合，利用壓強(qiáng)傳感器對(duì)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的氣壓變化進(jìn)行記錄，以確定合適的催化劑。

儀器藥品和實(shí)驗(yàn)裝置同實(shí)驗(yàn)一。

2.4? 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1） 用電子天平分別稱(chēng)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(chēng)量方法參照實(shí)驗(yàn)一的實(shí)驗(yàn)步驟（1）]，并將上述稱(chēng)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?qǐng)D1所示裝置連接好相關(guān)儀器（注意密封性）。

（3） 將注射器中的液體同時(shí)全部推入圓底燒瓶?jī)?nèi)，同時(shí)利用壓強(qiáng)傳感器和數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)測(cè)量密閉容器中的氣壓隨時(shí)間變化情況（注： 實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)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(jiàn)圖3），因此，實(shí)驗(yàn)室用雙氧水分解制取氧氣時(shí)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(lèi)對(duì)反應(yīng)速率的影響，使用的是控制變量法。控制變量法作為科學(xué)探究的基本方法之一，初中學(xué)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(shí)時(shí)，都運(yùn)用了控制變量的思維方法。

3? 實(shí)驗(yàn)三： 對(duì)酶的生物活性的探究

3.1? 提出問(wèn)題

查閱資料可知，生豬肝中含有的一種生物活性酶會(huì)對(duì)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(huì)具有催化作用嗎？

生土豆也含有生物活性酶，但動(dòng)物活性酶和植物活性酶催化效率相同嗎？

3.2? 猜想與假設(shè)

生豬肝和生土豆都有催化作用，熟豬肝沒(méi)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(qiáng)傳感器對(duì)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的氣壓變化進(jìn)行記錄，以驗(yàn)證假設(shè)。

儀器和其他藥品及實(shí)驗(yàn)裝置同實(shí)驗(yàn)一。

3.4? 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

（1） 用電子天平分別稱(chēng)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(chēng)量1.00g生土豆（三份物質(zhì)的表面積相近）。將上述稱(chēng)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?qǐng)D1所示裝置連接好相關(guān)儀器（注意密封性）。

（3） 將注射器中的液體同時(shí)全部推入圓底燒瓶?jī)?nèi)，同時(shí)利用壓強(qiáng)傳感器和數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)測(cè)量密閉容器中的氣壓隨時(shí)間變化情況（注： 實(shí)驗(yàn)時(shí)的室溫是25.8℃）。

3.5? 數(shù)據(jù)處理

3.6? 交流討論

實(shí)驗(yàn)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(dòng)物活性酶比植物活性酶催化效率更高（見(jiàn)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(xué)反應(yīng)幾乎都在酶的催化作用下進(jìn)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(huì)被破壞而不能再發(fā)生作用（生熟豬肝的催化性能對(duì)比試驗(yàn)）。

在進(jìn)行上述三個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，興趣小組的學(xué)生表現(xiàn)出了很高的積極性，實(shí)驗(yàn)材料很多都是學(xué)生自己準(zhǔn)備的。初中化學(xué)是基礎(chǔ)化學(xué)，但探究的思想一定要滲透到學(xué)生的思維之中，這也是學(xué)科思想的呈現(xiàn)方式之一。學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不僅拓展了自己的知識(shí)，體會(huì)了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的快樂(lè)，感受到科學(xué)知識(shí)的嚴(yán)謹(jǐn)，還能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提升自身的科學(xué)素養(yǎng)。

教育的發(fā)展和社會(huì)對(duì)教育要求的提升，讓教育者越來(lái)越深刻地認(rèn)識(shí)到，“僅僅靠課堂和書(shū)本遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了學(xué)生成長(zhǎng)的需要”[5]，我們要努力給學(xué)生搭建更寬廣的實(shí)踐平臺(tái)，拓展學(xué)生的思想、實(shí)踐、創(chuàng)新等空間。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，正是這種平臺(tái)的一部分，應(yīng)該在初中教育的實(shí)踐中得到拓展和延伸[6]。

（說(shuō)明： 上述圖2、圖3、圖4中剛開(kāi)始都有一段壓強(qiáng)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(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)變化，和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的測(cè)定結(jié)果無(wú)關(guān)。）

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部制定. 義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京： 北京師范大學(xué)出版社， 2011： 1～3.

[2][3]中學(xué)化學(xué)國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)研制組. 義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·化學(xué)（九年級(jí)上冊(cè)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(guò)氧化氫分解實(shí)驗(yàn)的研究[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （2）： 78～80.

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

[6]陳乾， 王璐璐， 丁小婷， 彭實(shí)， 馬宏佳. 利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和手機(jī)軟件測(cè)定膽礬結(jié)晶水含量[J]. 化學(xué)教學(xué)， 2018， （8）： 75～76.