專題4化學(xué)反應(yīng)條件的控制課題2催化劑對過氧化氫分解反應(yīng)速率的影響教學(xué)設(shè)計(jì)浙江省樂清中學(xué)倪瓊雙教學(xué)目標(biāo)1認(rèn)識催化劑對反應(yīng)速率的影響及原因；學(xué)會從控制變量角度進(jìn)行催化劑的選擇。2通過催化劑對過氧化氫分解反應(yīng)速率影響的實(shí)驗(yàn)方法的探討，認(rèn)識半定量實(shí)驗(yàn)和定量實(shí)驗(yàn)是化學(xué)研究中的重要研究方法。3通過學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)，養(yǎng)成規(guī)范的實(shí)驗(yàn)操作技能和實(shí)驗(yàn)觀察能力。3通過學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)細(xì)致、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和同伴合作精神，和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析能力。教學(xué)重難點(diǎn)：學(xué)生在定量實(shí)驗(yàn)中，相同時間段收集到氣體體積的數(shù)據(jù)的獲得和分析。【教學(xué)過程】[給出主題]教師：今天我們要學(xué)習(xí)的課題是蘇教版《實(shí)驗(yàn)化學(xué)》專題4化學(xué)反應(yīng)條件的控制之課題2。在這個專題中，我們已經(jīng)做了課題1有關(guān)濃度和溫度對反應(yīng)速率的影響的實(shí)驗(yàn)和反應(yīng)條件對平衡影響的實(shí)驗(yàn)。今天我們研究催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。大家知道，催化劑在化學(xué)研究中實(shí)驗(yàn)一個永恒的課題，在化工生產(chǎn)中一有著非常重要的作用。而在我們考試中，有關(guān)催化劑對速率的影響的考題，也是常考的熱點(diǎn)。下面，我們來看一道考題，大家講目光聚焦到催化劑和分解百分率這兩行，回答有關(guān)問題。問題1、從表中可知，首先進(jìn)行了“無催化劑”和“有催化劑”的對比，那么有催化劑對該速率有什么影響？全體學(xué)生：催化劑加快了反應(yīng)速率。。追問：為什么催化劑能加快反應(yīng)速率：學(xué)生：催化劑降低了反應(yīng)的活化能。問題2、為什么控制催化劑等量？學(xué)生：實(shí)驗(yàn)研究時要控制一個變量。問題3、“有催化劑”時，進(jìn)行了催化劑種類不同的對比。那么該實(shí)驗(yàn)中又是如何比較Cu2+和Fe3+的催化效果的呢？學(xué)生：比較相同時間內(nèi)，過氧化氫的分解百分率。教師：請大家歸納一下，從控制變量的角度，如何選擇催化劑。學(xué)生邊回答，教師邊引導(dǎo)補(bǔ)充，邊板書。[板書]一、催化劑的選擇1、不同種催化劑2、同種催化劑：（1）用量不同（2）顆粒大小不同（3）使用環(huán)境不同（設(shè)計(jì)意圖：通過問題1、2讓學(xué)生解決1、催化劑為什么可以加快反應(yīng)速率的原因分析；2、實(shí)驗(yàn)研究時要注意控制變量，只改變一個變量，所以選擇不同的催化劑進(jìn)行比較時，要控制等量；3、比較催化效果時注意取相同時間段進(jìn)行比較。然后再引導(dǎo)學(xué)生歸納出“從控制變量的角度如何選擇催化劑”，體現(xiàn)理論的知識對后續(xù)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)）附題目：2017年8月稽陽聯(lián)誼學(xué)校聯(lián)考化學(xué)試題研究不同條件對同體積同濃度的H2O2分解速率的影響，得到如下結(jié)果:序號123pH7711溫度/℃959550反應(yīng)時間/h131催化劑（等量）無Cu2+Fe3+無Cu2+Fe3+無Cu2+Fe3+分解百分率（%）0.857.42.61.196.34.835.510095.0問題4：通過什么方法判斷過氧化氫分解速率的快慢？學(xué)生：可以觀察氣泡產(chǎn)生的快慢；也可以測相同時間段產(chǎn)生的氣體體積或者產(chǎn)生相同體積的氣體所需的時間。追問：而過氧化氫的速率等于過氧化氫變化的濃度除以一定時間，為什么這里不直接測雙氧水濃度呢？學(xué)生：因?yàn)檫@里濃度變化不好測，氧氣可以通過排水法收集測定。教師：在實(shí)驗(yàn)中可以通過測量反應(yīng)體系中可測量或易測量的物質(zhì)的相關(guān)物理量的數(shù)值，再進(jìn)行換算，進(jìn)而確定所比較物質(zhì)的反應(yīng)速率。教師：在進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)的時候，我們可以選擇如同學(xué)們所說的觀察氣泡產(chǎn)生快慢這樣的半定量研究的或者測相同時間段產(chǎn)生的氣體體積這樣的常規(guī)的定量研究方法，也可以采取數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的定量研究。教師邊說，邊板書。[板書]：二、研究方法的選擇1、半定量研究（氣泡）2、定量研究：（1）常規(guī)方法：相同時間內(nèi)放出氣體的體積放出相同體積氣體的時間（2）數(shù)字化方法（壓強(qiáng)傳感器）（設(shè)計(jì)意圖：通過此問，引導(dǎo)學(xué)生考慮到，因?yàn)檫@里濃度變化不好測，而氧氣體積可測，由此進(jìn)一步認(rèn)識到，我們在實(shí)驗(yàn)中可以通過測量反應(yīng)體系中可測量或易測量的物質(zhì)的相關(guān)物理量的數(shù)值，再進(jìn)行換算，進(jìn)而確定所比較物質(zhì)的反應(yīng)速率。然后歸納出實(shí)驗(yàn)研究方法。并在接下來的環(huán)節(jié)中，分別進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)1半定量實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)2定量實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)理論的知識對后續(xù)實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)）[學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)]【分組實(shí)驗(yàn)1】實(shí)驗(yàn)步驟：取3支試管,分別取0.1克的固體MnO2、CuO、Fe2O3粉末。（約鑰匙尖端部位）再各加入1.5毫升10%H2O2溶液。觀察現(xiàn)象。（取一滴管溶液）（3）用手摸一摸試管底部，感受溫度變化。實(shí)驗(yàn)后提問幾個問題：哪種催化劑效果最佳？其他兩種呢？當(dāng)肉眼觀察氣泡現(xiàn)象不明顯時，還能判斷兩者快慢嗎？那要采取什么方法呢？（設(shè)計(jì)意圖：分組實(shí)驗(yàn)1取三種不同的催化劑（等量）和等量雙氧水反應(yīng)，比較產(chǎn)生氣泡的快慢。這是學(xué)生在前面歸納出的半定量研究的方法的驗(yàn)證。二氧化錳催化效果明顯，這是學(xué)生能一致得到的結(jié)論。但是對于氧化銅和氧化鐵，不同的學(xué)生可能會有不同的結(jié)論，但是這里主要的目的不是讓他們下一個明確的結(jié)論，到底是氧化銅催化效果優(yōu)于氧化鐵還是反之，而是想讓他們知道，當(dāng)兩者現(xiàn)象區(qū)別不明顯時，半定量實(shí)驗(yàn)有局限性。所以化學(xué)研究中更普遍的是進(jìn)行定量研究。）【分組實(shí)驗(yàn)2】實(shí)驗(yàn)步驟：左側(cè)同學(xué)取含有二氧化錳的濾紙條貼在反應(yīng)小室一側(cè)內(nèi)壁。右側(cè)同學(xué)取含有豬肝勻漿的濾紙條貼在反應(yīng)小室一側(cè)內(nèi)壁。量取3mL10%H2O2溶液，加入反應(yīng)小室（注意此時不要讓溶液接觸濾紙條），將反應(yīng)小室塞緊。（3）將小量筒灌滿水倒立于水槽中（注意：讓量筒管口一直處于水中）（4）轉(zhuǎn)動反應(yīng)小室使溶液和濾紙上的豬肝勻漿或二氧化錳接觸，反應(yīng)，排水法收集氣體。（裝置如圖所示）每間隔4秒記錄氣體體積。時間/s4s48s12s16s20s體積/mL實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（可不填滿，也可自行補(bǔ)充）注意分工：左上方同學(xué)負(fù)責(zé)報時間，右上方同學(xué)負(fù)責(zé)讀體積，左下方同學(xué)負(fù)責(zé)拿反應(yīng)小室，注意防止橡膠管堵塞。右下方同學(xué)負(fù)責(zé)扶穩(wěn)量筒和記錄，注意讓量筒要豎直方向。左下方拿反應(yīng)小室的同學(xué)將小室倒轉(zhuǎn)讓雙氧水和豬肝勻漿(或者二氧化錳）接觸，輕輕搖動小室使其充分接觸。實(shí)驗(yàn)后，請兩組同學(xué)匯報實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（二氧化錳和豬肝實(shí)驗(yàn)各一組），記錄在黑板上。提問：通過數(shù)據(jù)，怎么樣判斷過氧化氫分解的快慢？學(xué)生：比較4秒鐘收集到的氧氣體積的多少。再問：通過這兩組數(shù)據(jù)，你能得出二氧化錳和豬肝，哪個催化效果好嗎？為什么？學(xué)生：不能。學(xué)生：豬肝和二氧化錳用量不知道是否等量。學(xué)生：兩個體系溫度可能不完全相同。學(xué)生：可能有讀數(shù)的誤差。再問：如果要比較兩者的催化效果，怎樣做？學(xué)生：控制一個變量。（設(shè)計(jì)意圖：分組實(shí)驗(yàn)2，測相同時間段收集氧氣的體積，這是這節(jié)課的重點(diǎn)，又由于學(xué)生缺乏實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，所以要比較熟練且快速的獲得數(shù)據(jù)，對學(xué)生來說也是有一定難度的，所以也是難點(diǎn)。因此，我采取了以下措施。首先，針對教材上的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了改進(jìn)。教材中采用的是將催化劑裝在錐形瓶，用分液漏斗加雙氧水，這樣隨著氧氣的產(chǎn)生，瓶內(nèi)氣壓增大，雙氧水很難加入。且塞錐形瓶需要雙孔塞，增加了打孔難度，不利于準(zhǔn)備多套儀器用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)。因此，我將錐形瓶改為反應(yīng)小室，將催化劑包在濕濾紙條中，貼在反應(yīng)小室一側(cè)內(nèi)壁，然后再另一側(cè)加雙氧水，這樣兩者事先不接觸，塞反應(yīng)小室的橡膠塞也只需要一個導(dǎo)氣孔即可。其次，我對學(xué)生進(jìn)行了明確的實(shí)驗(yàn)分工。因?yàn)檫@個實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是學(xué)生要能每間隔4秒鐘能準(zhǔn)確快速的讀取收集到的氧氣體積數(shù)據(jù)，這需要學(xué)生之間非常默契的配合，所以對于報時、讀體積、操控反應(yīng)開始和記錄數(shù)據(jù)人員進(jìn)行了詳細(xì)的分工指導(dǎo)。經(jīng)過這樣指導(dǎo)，小組同學(xué)配合較好，都能較好的得到數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，也是本節(jié)課的重難點(diǎn)。對該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，讓學(xué)生再次明確可以通過測相同時間內(nèi)產(chǎn)生氣體的體積來判斷速率大小的方法。但是兩組數(shù)據(jù)又無法得出豬肝和二氧化錳哪個催化效果好，因?yàn)橛昧康炔煌?，這樣學(xué)生可以再次回歸到”不同催化劑比較時要控制用量等其他條件相同”、“控制一個變量”的理論知識。讓學(xué)生能從理論指導(dǎo)的方向分析實(shí)驗(yàn)中的問題。）【教師演示數(shù)字化實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)】實(shí)驗(yàn)步驟：1、在Y型管一邊加入0.1克MnO2，在另一邊加入1.2毫升10%H2O2,塞緊管口，連接到壓強(qiáng)傳感器。2、將Y型管下端放在水浴中，轉(zhuǎn)動Y型管使溶液和MnO2接觸反應(yīng)，同時點(diǎn)擊開始記錄數(shù)據(jù)。每間隔2秒采集數(shù)據(jù)，采集70個數(shù)據(jù)。繪制成圖（如下）教師組裝好實(shí)驗(yàn)，在采集數(shù)據(jù)的過程中，向?qū)W生簡單介紹這套儀器。利用壓強(qiáng)傳感器，測Y型管內(nèi)的壓強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集器將壓強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸給電腦。提問：管內(nèi)壓強(qiáng)和什么有關(guān)？學(xué)生：產(chǎn)生氧氣的體積提問：壓強(qiáng)數(shù)據(jù)越大說明什么？學(xué)生：說明氧氣產(chǎn)生多。說明雙氧水分解快。提問：這個數(shù)字化方法和哪個類似？學(xué)生：定量實(shí)驗(yàn)，測相同時間段產(chǎn)生氣體體積。教師：但是這里不是直接測氧氣體積，而是測壓強(qiáng)，可以通過換算，將壓強(qiáng)數(shù)據(jù)換算為氧氣體積，再換算成過氧化氫的濃度變化，進(jìn)而得到速率。再問：這個數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是什么？學(xué)生：讀數(shù)更準(zhǔn)，大大減小了人為讀數(shù)的誤差，直接繪制成圖，十分方便。【曲線解讀】請學(xué)生從兩個方面分析這條曲線:坐標(biāo)的意義。2.變化趨勢的原因分析。學(xué)生：橫坐標(biāo)表示時間，縱坐標(biāo)表示壓強(qiáng)，隨著時間的增大，壓強(qiáng)增大的趨勢先快后慢，說明反應(yīng)速率先快后慢。學(xué)生：反應(yīng)速率先快后慢是因?yàn)殡p氧水濃度逐漸變小。（再經(jīng)提示）還有溫度升高對速率的影響。（再經(jīng)提示速率減?。┱f明到后面濃度減小是主要影響因素。再問：本實(shí)驗(yàn)中采取了什么措施盡可能消除溫度的影響？學(xué)生：將Y型管下端放在水浴中。教師：本實(shí)驗(yàn)中溫度影響可采取措施控制，但是濃度減小的影響是不可避免的，所以在很多常規(guī)反應(yīng)的作圖題中畫出的曲線都有變緩的趨勢。同學(xué)們以后作圖時也要注意這點(diǎn)。教師：利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)也可以同時進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)的比較。圖一：同種催化劑（MnO2）用量不同對過氧化氫分解反應(yīng)速率的影響圖二：同種催化劑（氯化鐵溶液）濃度不同對過氧化氫分解反應(yīng)速率的影響P/KPa圖t/s圖二t/s（設(shè)計(jì)意圖：通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)寬學(xué)生對定量實(shí)驗(yàn)研究方法的認(rèn)識。學(xué)生首先要認(rèn)識到它是定量實(shí)驗(yàn)，是對前面提到的定量實(shí)驗(yàn)常規(guī)方法的延伸。它可通過測定某個相關(guān)物理量進(jìn)行換算，學(xué)生要學(xué)會分析相關(guān)數(shù)據(jù)。其次學(xué)生認(rèn)識到數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，它更加精細(xì)、準(zhǔn)確的獲得數(shù)據(jù)，誤差更小。所以這個環(huán)節(jié)也是對分組實(shí)驗(yàn)2的一個拓展和延續(xù)。再次強(qiáng)化了本節(jié)課的重點(diǎn)，突破難點(diǎn)。）教師：接下來我們看一下有關(guān)影響H2O2分解速率研究的幾組實(shí)驗(yàn)曲線圖，分別來分析，是什么因素影響的？（圖像來自于一道習(xí)題中）附習(xí)題：2017年第一學(xué)期杭州地區(qū)重點(diǎn)中學(xué)高三化學(xué)試題練習(xí)：H2O2分解速率受多種因素影響。實(shí)驗(yàn)測得70℃時不同條件下H2O2濃度隨時間