化学试题中,真实情境下考查学生综合运用能力,催化剂成了“明星”考点。图像、表格、反应历程、活化能、转化率都与催化剂有关。特别是“能量—反应历程”示意图,题目新,难度大,学生得分低。
1、加快速率的不一定是催化剂
教材中与催化剂有关的知识有二氧化锰、三价铁均可做H2O2分解的催化剂。铜催化氧化乙醇转变成乙醛。在能量学习中知道催化剂的过渡态理论。学生对催化剂认识片面且零散。
二氧化锰加快双氧水分解,铜加快酸与锌的反应。那么二者反应机理如何区分?
2、催化剂的催化原理
催化剂有没有参与反应?参与了。
与原电池中铜加快锌与酸反应不同。乙醇在铜的催化作用下,铜首先被氧化为氧化铜,氧化铜再氧化乙醇转变为乙醛,而铜又重新转变为铜单质。
3、思维模型
首先,催化剂与某反应物转变为中间产物,中间产物转变为产物的同时也重新生成催化剂。催化剂的特点是改变了反应历程,降低了反应的活化能,从而加快反应速率。
既然催化剂不改变反应的结果,只改变反应过程,所以可以通过反应历程的叠加推测总反应,反之亦然。
4、催化剂作用机理
通过十氢萘两步转化,第一步先生成四氢萘,产率极低;第二步生成萘,产率相对很高。双氧水分解的自发趋势很大,但常温下分解很慢。这些现象的背后都是反应活化能所致。活化能大,即使自发趋势很大,需要催化剂降低活化能。
5、催化剂对反应的直观感受
20KJ/mol以下,瞬间爆炸。
20—40,需要加热
40—80,需要催化剂
80以上,需要高温高压催化剂。
双氧水分解活化能为75KJ/mol,所以需要催化剂。平衡常数很大的反应,而常温却无法进行,一般就要从催化剂方面考虑问题。
6、催化剂影响转化率吗?
不影响平衡转化率,而影响非平衡转化率。
例如,把不同金属离子加入双氧水,测24小时分解率,结果发现铝离子分解率2%,而铬离子分解率96%。通过对比可以找到高效催化剂。24小时无法判断是否达到分解平衡,还需要延长时间,继续测定分解率是否继续改变。
在研究催化剂对转化率影响时,首先考虑反应是否已平衡。
7、催化剂的选择性
甲苯与氯气光照下产生一氯甲苯;氯化铁催化作用下生产邻氯甲苯。说明光照降低催化甲基反应的活化能,而氯化铁降低苯环取代活化能。
结论:一种催化剂只催化一种反应,说明催化剂具有选择性或者说专一性。
乙醇在浓硫酸170℃生产乙烯,140℃产生乙醚,说明温度也影响催化剂的选择性。
同样,氨气与氧气520℃生产氮气,840℃产生一氧化氮,也说明温度对催化剂的影响。
工业上SO2、NH3的氧化都用500℃条件,说明两个反应的催化剂活性在500℃时效果最好。催化剂活性好,说明此时的活化能最小。
催化效率低的催化剂很难在短时间达到平衡,且随着温度升高,催化剂都会慢慢失去活性。
随着温度改变转化率会出现拐点,不一定意味着最高点一定达到平衡。
8、教学反思
8.1学生头脑中的知识就像树上的叶子,只能靠自己长出来。教师的灌输就像用胶水把叶子粘住,禁不住日晒和风雨。
教师只能立足课本,找到逻辑起点,引导学生发现问题,探索问题,寻找答案。通过唤醒学生原有的知识,创设新情境,提出新问题,探究解决问题,从而深度认识催化剂的概念、作用与机理。
8.2打破课本原有的章节孤立零散的知识,对知识进行整合、重组,形成有序化的学习任务,达成有价值、有效率的学习整体。以具体任务驱动,解决问题为导向,知识整合为途径,提升学生关键能力为着力点。学生在分析问题和解决问题的过程中,巩固、内化、促进催化剂知识多向联系,现成辐射状的知识结构,提高思维的正确指向性和敏锐度。
8.3“情境”“整合”“建模”是高考评价体系的高频词,引导学生运用科学方法、训练学科思维、转变学习方式、优化学习策略、建构核心观念,逐步提升学生知识、认知、观念的结构化水平,促进学生从化学知识向化学核心素养的转化。
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