资源简介

《催化剂对化学反应的调控》单元教学设计
一．化学课程标准内容要求及其解析
1 内容要求：知道化学反应是有历程的，认识基元反应活化能对化学反应速率的影响
知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义
2 内容要求解析
内容要求的本质：结合具体反应，使学生认识到化学反应是有历程的，探寻反应历程的决速步骤，实现对化学反应速率更精准的调控，基元反应的发生要克服一定能垒，即活化能；结合教材案例（FeCl3溶液催化H2O2分解和铁触媒催化合成氨），分别简单介绍中间体理论和吸附理论，引导学生认识催化剂加速反应的本质原因是降低活化能。结合统计数据，90%以上的化工生产使用了催化剂，让学生感受催化剂对化学反应调控的重要性，激励学生探索催化剂的未知领域，造福人类社会。
蕴含的化学思想和方法：研究物质的化学变化应当注重宏观与微观、定性与定量、描述与推理等方面的结合，应当学会实验与探究、归纳与演绎、分析与综合等方法的运用。
对宏观物质及其变化的记录与描述，对微观粒子运动和相互作用的解释和说明，都
离不开科学仪器、设备等研究手段，离不开化学用语、符号、公式、图示等表达方式。
知识的承前启后关系：本主题承接了初三化学关于催化剂的简单概念、高一化学关于影响化学反应速率的外界条件之一：催化剂，开启了高二化学关于催化剂加速反应的本质原因的探究，让学生体会选用合适催化剂，不仅加速反应，还可以提高主产物的产量，降低副产物的含量，对化工生产意义重大。
育人价值：
通过实验初步探究FeCl3溶液催化H2O2分解的反应历程，培养学生宏观辨识与微观探析、证据推理与模型认知的科学素养；
第2课时，通过回顾合成氨的催化剂研究与诺贝尔奖，帮助学生感受化学家从事科学探究与不断创新的艰难曲折；
第3课时，通过讨论二氧化碳制甲醇的主反应和副反应，比较两种催化剂对主产物的选择性，帮助学生认识到催化剂的选择性在化工生产的重要意义，树立高中生的社会责任意识。
二、单元教学目标及其解析
1 单元教学目标 高度：新型催化剂研制和催化理论的探索是全世界化学热点研究领域
据统计（1）90%以上的化工生产使用了催化剂
（2）1901-2022期间，催化领域获得诺贝尔奖达17次
广度：教材→生活→工业中的催化剂
深度：加速反应是现象→降低活化能是本质
2 目标解析
达成以上目标的标志：
（1）课上学生参与课堂活动的积极性提高，主动参与实验、小组讨论，表达展示。
（2）课下学生收集催化剂研究与诺贝尔奖的资料，制作手抄报，分享成果。
三、教学问题诊断分析
1 问题诊断
本课题选自2019人教版化学选修一《化学反应原理》，催化剂的知识穿插于整个中学化学的教材，从初三延伸至高考。在教材的编排上，每个学年对催化剂的认知是不同的，呈现阶梯性的上升。
由于教材对于催化剂的介绍篇幅较少、较简单，导致学生对催化剂的知识存在短板，但是新高考背景下，陌生情境下的催化机理分析，层出不穷，高三学生普遍分析困难。通过学习，帮助高二选修化学科的学生认识到：催化剂通过参与化学反应，改变反应途径，降低活化能，提高化学反应速率，节约时间和成本，降低对生产设备的要求。
2 教学难点
精选教学素材，帮助学生掌握催化剂的入门知识：基元反应碰撞理论和过渡态理论、中间产物理论、吸附理论、活性中心理论、催化剂的选择性等
课时安排及教学支持条件
第1课时《催化剂改变化学反应途径》，借助PH传感器，探究FeCl3溶液催化H2O2分解的机理，认识中间产物理论。
第2课时《催化剂加速化学反应速率》，借助“能量——反应历程图”和“合成氨催化历程示意图”，初步认识过渡态理论和吸附理论。
第3课时《催化剂对平行反应的产物具有选择性》，借助真实素材“二氧化碳制甲醇的催化剂的选择性问题”，让学生赞赏催化剂在应对能源危机和温室效应的巨大社会价值。
五、单元教学设计框架
《催化剂对化学反应的调控》单元教学设计
课时 情境线 问题线 知识线 活动线 评价线
第1课时催化剂改变化学反应途径 基于前人研究成果，选取简单反应FeCl3催化H2O2 分解反应，开展实验教学 FeCl3参与反应吗？FeCl3溶液起催化作用的微粒是？FeCl3溶液起催化作用，中间体是？ 催化剂—中间体—催化剂对照实验氧化还原Fe2+的检验PH传感器检测H+中间产物理论 学生设计对照实验：探究FeCl3溶液起催化作用的微粒（2）设计探究实验，寻找中间体Fe2+借助PH传感器，获取图像，寻找另一中间体H+ （1）能设计简单对照实验方案（2）能借助实验现象和图像，书写两步催化过程的氧化还原方程式
第2课时催化剂加快化学反应速率 I-催化H2O2分解的“能量——反应历程”图工业合成氨与诺贝尔奖3、铁触媒催化合成氨的历程图 （1）基元反应碰撞理论和过渡态理论，如何定义活化能？（2）活化能与化学反应速率的关系是什么？催化剂加速反应的本质原因是什么？ 基元反应碰撞理论基元反应过渡态理论（3）多相催化吸附理论 （1）选取H2O2分解反应，学生画无、有I-催化“能量——反应历程”图（2）教师提供铁触媒催化合成氨的历程图，学生分小组讨论问题串 学生制图完毕，教师收集典型手工制图，采取学生互评，教师补充点评。学习小组汇报讨论问题的结果
第3 课时催化剂对平行反应的产物具有选择性 CO2加氢制甲醇存在副反应，选择合适催化剂提高主产物甲醇的产量，降低副产物CO的含量国内实现CO2加氢制甲醇项目的实际进展 在“碳达峰、碳中和”背景下谈谈该反应的研究价值哪种催化剂对主反应的加速程度大？催化剂的选择性在工业生产有何重要意义 催化剂的选择性产生的原因催化剂改变反应机理造成主、副产物不同（2）催化剂的结构不同造成主、副产物含量不同 学习小组讨轮代表上台汇报 过程评价：学生参与讨论的热烈程度结果评价：学生回答问题广度和深度
六、课时教学设计
第1课时《催化剂改变反应途径》教学设计
【学习目标】1、知识目标：知道催化剂参与化学反应
2、能力目标：学会设计探究实验，解决真实问题
3、素养目标：通过化学探究实验手段，培养学生“宏观辨识与微观探析”
【重点与难点】重点：借助化学实验，获取证据，纠正“催化剂不参与反应”错误认知
难点：学生学会运用探究实验的一般过程解决真实情境问题
【学情调查】
1、形式：问卷星
2、对象：临高中学高二年级化学选科共739人
3、问题：（1）催化剂参与化学反应吗？ 不参与 参与 不确定
（2）催化剂改变反应速率，还是加快反应速率？ 改变 加快 不确定
（3）催化剂能减小副产物的生成吗？ 不能 能 不确定
环节一、导入：回顾催化剂的发现史和生活中的催化反应
1、催化剂的常见分类
2、请回忆催化剂的定义
人教版九年级化学上册：在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率
而本身质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质（也称触媒）
环节二、提出问题：催化剂参与化学反应吗？
【创设情境】FeCl3溶液催化H2O2分解
【提出问题1】FeCl3溶液中主要存在三种微粒H2O、Fe3+、Cl-，谁起催化作用？
【作出假设】①H2O起催化作用 ②Fe3+起催化作用
③Cl-起催化作用 ④Fe3+和Cl-都起催化作用
【设计方案】若假设②成立，类比哪类物质可以催化？其他可溶性铁盐
若假设③成立，类比哪类物质可以催化？其他可溶性氯盐
【评价方案】设计对照实验，如： FeCl3对比Fe2（SO4)3 FeCl3对比KCl
【实施方案】
【得出结论】 Fe3+催化H2O2分解，Cl-和K+不起催化作用
设计意图：渗透物质微粒观 评价活动：宏微结合，得出结论
【提出问题2】Fe3+参与反应过程吗？若参与，可能发生什么类型反应？中间产物可能是？
【作出假设】Ⅰ参与氧化还原反应，中间产物可能是 ① Fe2+
② 高于+3价的含铁微粒
【设计方案】设计验证性实验，哪一种假设容易验证？
Fe2+容易验证，选择检验试剂K3[Fe(CN)6]。（考虑到Cl-干扰，不选KMnO4）
【实施方案】Fe3+催化H2O2分解，分别检测反应前、中、后Fe2+存在
【得出结论】用方程式表示： 2Fe3+ +H2O2 = 2Fe2+ + 2H+ + O2 ↑
设计意图：运用“科学探究”解决问题 评价活动：获取证据，符号表征。
【追问3】中间产物除了Fe2+，还有别的吗？如何验证？
【微课】
【数据】
【作图】
【结论】用方程式表示： 2Fe2+ + H2O2 + 2H+ = 2Fe3+ + 2H2O
设计意图：形成科学态度 评价活动：描述推理，符号表征
环节三、课堂小结：催化剂通过参与化学反应，改变反应途径。
经历如下过程：催化剂→中间体1、2、3……→催化剂
【注意】要检测某些寿命极短中间体或过渡态必须采用10-15—10-12秒时间分辨技术——
飞秒化学
第2课时《催化剂加快反应速率》教学设计
【学习目标】1、知识目标：知道活化能对速率的影响；催化剂降低活化能，加快速率。
2、能力目标：通过手工制图，提高学生文字与图像的转化能力。
3、素养目标：借助合成氨的催化历程示意图，初步了解吸附理论
培养学生证据推理与模型认知素养。
【重点与难点】重点：通过手工制图，加深催化剂通过降低活化能，加快化学反应速率认识
难点：借助铁触媒催化合成氨的催化历程示意图图，发展证据推理的素养
环节一、认识化学反应是有历程的
【知识梳理】1、基元反应（也称简单反应）： 反应物一步转化为生成物
2、非基元反应（也称复杂反应）：由几个基元反应组成的总反应
3、反应历程（也称反应机理）：化学反应所经历的过程
环节二、基元反应碰撞理论
【情境1】例如：H2(g)+I2(g) 2HI(g)
当反应物的浓度为1mol/L
在1ml空间约含分子 6.02×10-20个
每秒碰撞1028次
理论：10-5秒反应完成 实际：不断加热，缓慢反应
【问题】1、每一次碰撞都能引发化学反应吗？ 有效碰撞和无效碰撞
2、有效碰撞需要满足哪些条件？ (1)较高能量 (2)合适取向
【知识梳理】3、活化分子： 具备较高能量，反生有效碰撞的分子
4、活化能： Ea=E活化分子平均—E反应物分子平均
5、结合碰撞理论，解释催化剂为什么加快反应速率？
催化剂降低活化能，提高活化分子的百分含量，增大了有效碰撞的频率。
环节三：基元反应的过渡态理论
要点：AB+C → [A B C] → A+BC 【问题】
反应物 过渡态 反应产物
E1和E2分别代表什么？
E1：正反应活化能 E2：逆反应活化能
ΔH与E1、E2什么关系？
ΔH=E1-E2
3、结论：不同基元反应，活化能大小不同因此化学反应速率不同。活化能越高，反应越难发生。
【情境】H2O2分解反应：
2H2O2(aq) = O2(g) + 2H2O(l) ，ΔH= -98KJ/mol
在I-的催化作用下，催化过程分两步完成：
① H2O2 + I- = H2O + IO- ΔH>0，较慢
② H2O2 +IO- = H2O +I- + O2↑ ΔH<0，较快
【活动】结合信息，分别画出H2O2 分解过程中
无催化剂和有催化剂的“能量—反应过程”
示意图
【过渡】工业生产，催化剂是加快速率最为有效的手段之一。如工业合成氨
【小组讨论汇报】
1、结合图像，请描述合成氨反应的催化历程
2、观察催化剂表面的结构特点，（1）吸附步骤，什么位置容易
吸附反应物分子？
（2）表面反应体现了什么过程？
（3）脱附步骤重要吗？
3、研究发现：合成氨的原料气若含0.002%的CO会使催化剂失去活性，也叫催化剂中毒。
推测这一现象由什么原因造成？
（设计意图：图像转化文字，发展证据推理 评价活动：小组讨论，汇报交流）
第3课时《催化剂对平行反应的产物具有选择性》教学设计
【学习目标】1、认识催化剂具有选择性
2、理解催化剂能加速主反应，提高主产物的含量，同时减少副产物
【重点与难点】重点：对于平行反应，选择合适的催化剂能加速主反应，提高主产物产量
难点：1、区分阶段转化率和平衡转化率
2、认识催化剂的选择性对化工生产的重要意义
一、催化剂选择性产生的原因
【介绍】平行反应：
反应物能同时进行两个或两个以上的不同反应，得出不同的产物。
【注意】将生成期望产物的一个反应称为主反应，其余为副反应。
二、如何理解催化剂的选择性
1、不同催化剂对特定的反应具有选择性
反应物 催化剂及反应温度 产物
CH3CH2OH Cu，473—523K CH3CHO + H2
Al2O3，623—633K CH2=CH2 +H2O
浓H2SO4，413K CH3CH2-O-CH2CH3
2、同一催化剂因结构不同具有选择性
【情境】研究表明，CO2和H2可发生两个平行反应：
①CO2(g)＋3H2(g) CH3OH(g)＋H2O(g)　
②CO2(g)＋H2(g) CO(g)＋H2O(g)　
某实验室控制CO2和H2初始投料比一定，在相同压强下，按一定流速通过铜基催化剂
经过相同时间t，测得实验数据
T（K） 催化剂 CO2转化率（%） 甲醇选择性（%）
543 Cu/ZnO纳米棒 12.3 42.3
543 Cu/ZnO纳米片 10.9 72.7
【问题】
1、结合反应，如何理解表格中CO2转化率？ 提示：主、副反应 未达到平衡时的CO2转化率
2、结合数据，CO2转化率越高，甲醇产率也越高吗？谈谈“转化率与产率存在怎样的关系”
提示：若存在副反应，反应物转化率越高，目标产物的产率不一定越高；
3、那种催化剂对主反应的催化程度大？产生怎样的结果？
提示：Cu/ZnO纳米片催化主反应效果好，提高了主产物的产量，降低了副产物的含量。
三、【拓展视野1】应对能源危机和温室效应的中国方案
该方案实现工业化生产，核心反应CO2＋3H2 CH3OH＋H2O核心问题是开发高效稳定催化剂
【拓展视野2】国内CO2加氢制甲醇项目进展一览表
项目名称 地点 投资方 产量 状况 碳源氢源 催化剂
中海油二氧化碳加氢制甲醇 海南省东方市 海洋石油富岛有限公司 5000吨/年 2020年投产 捕集CO2电解水制氢 新型纳米复合氧化物铜基催化剂
千吨级规模太阳燃料合成示范项目 甘肃省兰州市 中科院大连化物所和兰州新区石化产业投资有限公司 1000吨/年 2020年投产 捕集CO2电解水制氢 自主知识产权的固溶体催化剂（ZnO/ZrO2）
安阳顺利环保科技有限公司二氧化碳制绿色低碳甲醇联产LNG项目 河南省安阳市 安阳顺利环保科技有限公司冰岛CRI 11万吨/年 2022年9月成功开车 捕集CO2焦炉煤气 Cu/ZnO/Al2O3
江苏斯尔邦石化有限公司CO2制绿色甲醇项目 江苏连云港市 江苏斯尔邦石化有限公司冰岛CRI 15万吨/年 2022年投产 捕集CO2电解水 Cu/ZnO/Al2O3
中煤鄂尔多斯能源化工有限公司二氧化碳加绿氢制甲醇技术示范项目 内蒙古鄂尔多斯市 中煤鄂尔多斯能源化工有限公司 10万吨/年 2023年6月开工建设 捕集CO2电解水制氢 自主知识产权的固溶体催化剂（ZnO/ZrO2）
【课堂小结】
【结束语】催化剂被认为是化学工业的点金石！据统计90%以上的化工生产使用了催化剂。
【板书设计】
催化剂 化学反应
参与反应 反应发生：总ΔH不变
降低活化能： 降低活化能：极大程度加快速率，
具有选择性： 具有选择性：不改变平衡转化率，增加主产物的产率
请分析以下曲线变化原因
AB段： 稀释所致
BC段： 先生成H+
CD段： 后消耗H+
PH
D
B
A
C
时间/分钟
ΔH
反应物
生成物
非催化剂
能量
反应过程
催Ⅱ
催Ⅰ
增增大原料的转化率
提高主产物的产率
降低副产物的含量
选择合适的
催化剂
加速主反应
平行反应
增大原料的转化率提高主产物的产率降低副产物的含量
调控

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