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对催化剂的拓展探究

范文

沈银行

摘要：阐释了如何运用手持技术和数字化实验，对催化剂的种类、用量以及活性三大因素进行实验对照和分析，从而使学生体验探究过程，形成探究思路，理解探究实质，提升化学学科素养。

关键词：科学探究; 催化剂种类; 催化剂用量; 催化剂活性

文章编号： 10056629（2019）9007904? ? ? ? ? ? 中图分类号： G633.8? ? ? ? ? ? 文献标识码： B

科学探究对学生学习自然科学所产生的积极影响是毋庸置疑的。科学探究是一种重要的学习方法，也是学生理解知识、体验学习过程的重要途径。“义务教育阶段化学课程中的科学探究，是学生积极主动地学习化学知识、认识和解决化学问题的重要实践活动”，“科学探究对发展学生的科学素养具有不可替代的作用”[1]。但对现行的初中化学教材进行分析，不难发现，不论是人教版、沪教版、鲁教版、湘教版还是京改版，探究性实验的比例明显不足，实验方式仍以教师演示、学生观察为主。沪教版九年级教材中，虽然明确了学生必做的八大基础实验，但这些实验主要还是以验证性实验为主。因此，在初中化学教学过程中，教师应该利用各种条件，创造各种因素，努力挖掘探究性实验，以培养学生的学科思想，提升学生的科学素养。

催化剂的相关知识在初中化学教材中出现并不多，沪教版九年级上册有这样的一段叙述：研究表明，在双氧水制取氧气的反应中，加入二氧化锰能加速过氧化氢的分解。在反应前后，二氧化锰的质量保持不变，化学性质也没有发生改变。这种在化学反应中能增大化学反应速率，但本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生变化的物质称为催化剂。在实验室里也可加热二氧化锰和氯酸钾的固体混合物制取氧气。该反应中二氧化锰也是催化剂[2]。查阅相关资料可以知道：催化剂又称触媒，可分为正催化剂和逆催化剂，正催化剂有助于反应向正方向移动（即加快反应速率），逆催化剂有助于反应向逆方向移动（即减慢反应速率）。酶是生物催化剂，是植物、动物和微生物产生的具有催化能力的有机物[绝大多数是蛋白质，但少量RNA（核糖核酸）也具有生物催化功能]，旧称酵素。沪教版化学教材九年级下册涉及到了酶：食物中的蛋白质在胃、肠中的酶及体内水的作用下，逐步分解，生成可被小肠吸收的小分子化合物氨基酸[3]。

下面讨论的探究性实验，就是在数字化仪器的帮助下，利用实验室或日常生活中能够获得的材料，对催化剂这一知识点进行的拓展探究。

1? 实验一：对催化剂用量的探究

查阅资料，对催化剂的定义，涉及的说法种类很多：傅献彩（物理化学家和化学教育家）认为，如果把某种物质（可以是一种或几种）加入到化学反应体系中，能改变化学反应速率，而本身在化学反应前后没有数量上的变化，同时也没有化学性质的改变，这种物质称为催化剂;王桂茹（著有《催化剂与催化作用》）对催化剂定义为，催化剂是一种能改变一个化学反应速率，却不改变化学热力学平衡位置，本身在化学反应中不被明显消耗的物质;廖代伟（厦门大学化学系教授，物理化学研究所所长）提出，催化剂是一种加快反应速率，控制反应方向或产物组成，而不影响化学平衡，在总反应的化学计量表达式中反映不出来，即在反应中不会被消耗的物质。

在上述催化剂的阐释中，都没有催化剂的用量的表述。那么，催化剂用量是否对催化剂的效率产生影响？

1.1? 提出问题

（1）通过对教材中实验室制取氧气（二氧化锰催化过氧化氢分解）的反应，取用不同质量的催化剂进行实验，探究催化剂的用量对反应速率的影响。

（2）学会使用控制变量法研究化学反应，形成科学的思维方法，培养学生的科学素养。

1.2? 实验设计

1.2.1? 仪器和药品

圆底烧瓶、电子天平、药匙、压强传感器（含注射器和相关连接管）、数据采集器、3%的双氧水（过氧化氢的水溶液）、二氧化锰（分析纯）。

1.2.2? 实验装置

如图1所示。

1.2.3? 实验步骤

（1）用电子天平（精确度为0.01g）分别准确称量二氧化锰粉末0.03g、 0.06g、 0.12g（注意称量纸用白纸，不用滤纸，防止少量粉末粘在纸上。固体粉末倒入圆底烧瓶时，要将称量纸弹一下，以保证固体粉末不会粘在纸上），并将称量的固体分别倒入3只圆底烧瓶中。

（2）用三支注射器分别准确量取10mL 3%的双氧水，注意取用过程中要将注射器中出现的气泡赶掉，微调时可以转动活塞。

（3）按照图1搭配好装置，先将3个压强传感器连接到各自的数据采集器上，然后同时将三支注射器中的双氧水分别注入圆底烧瓶，关闭活塞，同时利用压强传感器和数据采集仪实时测量密闭容器中的气压随时间变化情况（注：实验时的室温是25.8℃）。

1.2.4? 数据处理

1.2.5? 得出结论

（1）双氧水和二氧化锰混合后，过氧化氢发生分解反应产生氧气，随着催化剂二氧化锰的用量增加，反应速率加快，但不是越多越好。

（2）催化剂二氧化锰用量与氧气的最终产量无关。

1.2.6? 拓展延伸

催化剂的用量与催化效率的关系是一个很值得研究的命题，上述实验中，从

数据处理后所得的图像中（见图2），我们可以认为0.12g较为适中[换算成纯净物之间的质量比，m（MnO2）∶m（H2O2）約为1∶2.5]。虽然我们不能通过这样的一个实验就得出反应物与催化剂用量之间的关系，但我们可以尝试运用这样的方法进行实验研究。

2? 实验二：对催化剂种类的探究

2.1? 提出问题

双氧水分解只能用二氧化锰作为催化剂吗？

2.2? 猜想与假设

能作为双氧水分解催化剂的物质不一定只有二氧化锰一种。

2.3? 制定方案

将不同种类的物质与相同浓度、相同体积的双氧水混合，利用压强传感器对反应过程产生的气压变化进行记录，以确定合适的催化剂。

仪器药品和实验装置同实验一。

2.4? 实验过程

（1）用电子天平分别称量0.12g二氧化锰粉末、0.12g氧化铜粉末（分析纯）、0.12g氧化铁粉末（分析纯）

[注意称量方法参照实验一的实验步骤（1）]，并将上述称量好的物质分别放到三只圆底烧瓶中。

（2）取三支注射器，分别取用3%双氧水10mL，按照图1所示装置连接好相关仪器（注意密封性）。

（3）将注射器中的液体同时全部推入圆底烧瓶内，同时利用压强传感器和数据采集仪实时测量密闭容器中的气压随时间变化情况（注：实验时的室温是25.8℃）。

2.5? 数据处理

2.6? 得出结论

双氧水分解不是只能用二氧化锰作催化剂，还有其他物质也可以作催化剂[4]。但是双氧水分解时二氧化锰粉末作催化剂的催化效率显然比其他几种备选物质的催化效率高（见图3），因此，实验室用双氧水分解制取氧气时一般均选择二氧化锰作催化剂。

2.7? 拓展延伸

上述研究催化剂的种类对反应速率的影响，使用的是控制变量法。控制变量法作为科学探究的基本方法之一，初中学生是必须掌握的。沪教版教材在涉及铁生锈的条件探究、溶解的速率、影響溶解性的因素等知识时，都运用了控制变量的思维方法。

3? 实验三：对酶的生物活性的探究

3.1? 提出问题

查阅资料可知，生猪肝中含有的一种生物活性酶会对双氧水的分解产生催化作用，如果将猪肝煮熟，这种酶还会具有催化作用吗？

生土豆也含有生物活性酶，但动物活性酶和植物活性酶催化效率相同吗？

3.2? 猜想与假设

生猪肝和生土豆都有催化作用，熟猪肝没有。

3.3? 制定方案

将相同质量的生熟猪肝、生土豆与相同浓度、相同体积的双氧水混合，利用压强传感器对反应过程产生的气压变化进行记录，以验证假设。

仪器和其他药品及实验装置同实验一。

3.4? 进行实验

（1）用电子天平分别称量质量均为1.00g的两份猪肝，一份备用，另一份放在沸水中煮两分钟，捞出冷却后备用;再称量1.00g生土豆（三份物质的表面积相近）。将上述称量好的物质分别放到三只圆底烧瓶中。

（2）取三只注射器，分别取用3%双氧水10mL，按照图1所示装置连接好相关仪器（注意密封性）。

3.5? 数据处理

3.6? 交流讨论

实验证明，生猪肝和生土豆具有一定的催化能力，熟猪肝催化能力较小，而且动物活性酶比植物活性酶催化效率更高（见图4），这意味着生物活性酶的活性需在一定的温度范围内，且生物体的化学反应几乎都在酶的催化作用下进行。大约在37℃的温度下（人体的温度），酶的工作状态是最佳的。如果温度高于约50℃，酶就会被破坏而不能再发生作用（生熟猪肝的催化性能对比试验）。

在进行上述三个实验的过程中，兴趣小组的学生表现出了很高的积极性，实验材料很多都是学生自己准备的。初中化学是基础化学，但探究的思想一定要渗透到学生的思维之中，这也是学科思想的呈现方式之一。学生通过自己动手进行实验，不仅拓展了自己的知识，体会了实验过程的快乐，感受到科学知识的严谨，还能够激发学生的学习积极性，提升自身的科学素养。

教育的发展和社会对教育要求的提升，让教育者越来越深刻地认识到，“仅仅靠课堂和书本远远满足不了学生成长的需要”[5]，我们要努力给学生搭建更宽广的实践平台，拓展学生的思想、实践、创新等空间。而数字化实验，正是这种平台的一部分，应该在初中教育的实践中得到拓展和延伸[6]。

（说明：上述图2、图3、图4中刚开始都有一段压强直线上升的部分，这是由于注射器中的10mL液体推入圆底烧瓶时所产生的压强变化，和实验过程的测定结果无关。）

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准[S]. 北京：北京师范大学出版社， 2011： 1～3.

[2][3]中学化学国家课程标准研制组. 义务教育课程标准实验教科书·化学（九年级上册第一版）[M]. 上海：上海教育出版社， 2015： 36.

[4]许亮亮，陈懿，闵凯文. 海藻酸钠微球催化过氧化氢分解实验的研究[J]. 化学教学， 2018，（2）： 78～80.

[5]陈文强，许序修. 人的个性发展不能仅靠学校“圈养”[J]. 人民教育， 2016，（9）： 46～48.

[6]陈乾，王璐璐，丁小婷，彭实，马宏佳. 利用数字化实验和手机软件测定胆矾结晶水含量[J]. 化学教学， 2018，（8）： 75～76.

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