《探究催化剂对H2O2分解速率的影响》教学设计

《探究催化剂对H2O2分解速率的影响》教学设计

一、使用教材分析

本节内容出自人教版高中化学《必修2》第二章第3节第1课时《化学反应的速率和限度》。属于化学动力学的范畴，着重介绍化学反应速率及浓度、温度等外界条件对化学反应速率的影响，以及造成这些影响的原因。化学反应速率是学习化学平衡的基础，因此是本章的重点。本节内容是典型的基本概念和基本理论知识，内容比较抽象，对学生来说具有一定的难度。教材注意用浅显通俗的方式表达出来，富有启发性和直观性。因此，讲解时可充分利用书本上的实验、数据、图片、漫画等，引发学生的思考，把抽象的知识适度地直观化。

二、学情分析

通过初三和高一的学习，学生已具备一定化学反应的知识和分析问题的能力。本节内容是典型的基本概念和基本理论知识，内容比较抽象，对学生来说具有一定的难度，因此要充分利用学生已有的知识。如在理解化学反应速率的概念时，与物理学中的速度作比较；在学习有效碰撞理论时可联系化学键的知识。学习时利用多种教学媒体，使抽象问题通俗化。

三、学习目标

1.培养学生控制变量设计对照实验分析多因素对化学反应速率的影响；

2.引导学生提出问题、设计方案、实施探究、得出结论；培养学生敢于质疑、勇于创新的意识；培养学生严谨求实的科学态度和持续探讨化学的兴趣。

四、教学重难点及突破

控制变量法探究催化剂对反应速率的影响

重难点突破：设疑激趣→实验引探→多媒体演示→启思诱导→小组讨论→归纳小结

五、学法指导

1．通过物体运动速度与化学反应速率类比的方法，理解化学反应速率的概念；

2．通过实验探究的方法来发现问题或得出结论，同时培养学生的实验操作能力；

3．利用多种教学媒体，使理论通俗化，有利于学生理解；

4．利用小组讨论的方法，提高学生分析问题的能力；

5.实验设计及教学媒体的应用。

六、实验器材

（一）实验药品：H2O2溶液（浓度为5%、10%、15%、30%）、酵母粉、FeCl3固体、FeCl3溶液（浓度为3.5%）、MnO2固体、KMnO4固体、K3[Fe(CN)6]溶液

（二）实验仪器（以一组为例）：250mL锥形瓶（11个）、双孔橡皮塞（6个）、10mL针筒（1个）、50mL针筒（1个）、分液漏斗（1个）、50mL烧杯（1个）、250mL烧杯（1个）、试管（1支）、胶头滴管（2支）、塑料水槽（圆形1个）、试管架（1个）、研钵（1个）、导管若干、橡胶管若干、100mL量筒（1个）、托盘天平（附砝码）、药匙

（三）其它物品：线香若干、洗洁精、质地轻盈的气球

七、实验原理

课本中的实验是取3支大小相同的试管各装入2~3mL约5%的H2O2溶液，再向其中2支试管中分别加入少量MnO2粉末、1~2滴1mol/L的FeCl3溶液，对比观察实验现象。编者的意图是希望通过观察气泡产生的速度来判断反应速率是否加快，并且让学生认识到催化剂具有多样性。既然如此，我们还可以扩大实验的材料，比如酵母粉。经查阅资料得知，酵母菌中含有过氧化氢酶，这种生物催化剂的效果十分好，有许多科学家就在从事相关的研究，在课本的科学视野里也有一些介绍。所以我选择酵母粉来进行教学，既达到本堂课的探究目的，也能丰富学生对催化剂的认识。

再者既然学生已经认识到催化剂具有多样性，那么催化剂的种类对H2O2分解速率有什么影响吗？在课本中只是设计了一个粗略的实验来探究这个问题，本该在这个实验中深入学习到的比如控制变量法这种重要的思想却没有很好的体现出来。与之相对的，《选修4》第二章中也做了类似的实验：比较有无催化剂、不同种类催化剂的催化效果。但在对变量的控制上，《选修4》比《必修2》更为精准，连催化剂的状态、浓度和用量都要考虑，在这里教学的时候也可以借鉴。

此外，在高考中，“探究xx对反应速率的影响”这种类型的题也多次出现，需要学生自己设计实验方案、装置甚至数据来完成探究。在方案和装置的设计上学生已积累较多经验，但在对数据处理这方面训练不够。因为一直以来的实验中定性认识比较多，定量的比较少，对于连续数据（或者图像）以及不连续数据所反映出来的问题联系不了实际的现象，因此在实验探究中要注意引导学生从定性向定量过渡，比如在本节课中，如何精确测得生成的氧气的体积？由初中所学知识知道氧气可用排水法收集，那么测得排出水的体积就是生成的氧气的体积；通过气球胀大的速度过于主观，那么将气球换成针筒就能读出准确的数值了。

八、实验改进要点

（一）验证催化剂可以加快H2O2分解速率的实验：

学生在人教版初中化学第二章课题3《制取O2》中做过探究分解H2O2制取氧气的反应中二氧化锰的作用的实验，实验方法是取一支试管加入适量H2O2溶液，伸入带火星的木条，木条不复燃，再加入少量MnO2，伸入带火星的木条，木条复燃，由此证明MnO2加快了H2O2的分解。这个方法有3点不足之处：

1.操作步骤比较繁琐，若实验的组数较多则会浪费许多时间；

2.在没有加入催化剂时无明显现象，学生可能会产生“H2O2本身不分解，是加入催化剂以后才使其分解”的错误认知；

3.没有对照实验说明催化剂本身不产生氧气，不严谨。

针对以上问题做如下改进：

在这套装置中，将木条换成线香可以使用更长的时间；学生将催化剂放入锥形瓶中，插入带火星的线香，验证了催化剂本身不会产生氧气，再打开分液漏斗活塞，可以观察到线香复燃。这样简化了实验操作，可让学生将更多的注意力放在对实验现象的观察上。

针对第2个问题，传统教学方法是让学生观察H2O2溶液是否产生气泡或者将H2O2溶液加热再伸入带火星的木条，不过这个方法可能会受到水蒸气的影响而失败。如果部分学校有条件，可以通过压力传感器测定装置内气压的变化，从而引导学生运用数据进行分析。

（二）探究不同种类催化剂对H2O2分解速率的影响：

根据课本的实验来看，是通过观察气泡产生的速度来判断反应速率，或者学生还可能提出连接一个气球，通过观察气球胀大的速度来判断反应速率。方法可行但过于定性，教师应当引导学生使用定量的方法进行实验。

方法一：利用量筒和排水法测定生成相同体积氧气所需的时间（若是测定相同时间内生成氧气的体积也可，但操作不简捷，且得到的数据误差较大）。

方法二：利用针筒测定生成相同体积氧气所需的时间，此方法操作更加简捷。

九、实验教学内容

本堂课的实验探究主要有两个：

（一）验证FeCl3、酵母粉可以加快H2O2的分解，具体步骤如下：

1.处理药品：实验室的MnO2为粉末状固体，那么其它物质的状态也要一样，因此需要用研钵将FeCl3固体研磨成粉末状；

2.称量等质量的两种物质放入锥形瓶中，向分液漏斗中分别倒入5mL 5%的H2O2溶液；

3.插入带火星的线香，观察现象；再打开分液漏斗活塞，观察现象；

4.熄灭线香（以免造成意外），整理仪器。

（二）探究MnO2、FeCl3、酵母粉对H2O2分解速率的影响，具体步骤如下：

1.检查装置气密性；

2.处理好药品后称量等质量的三种物质放入锥形瓶中；

3.用注射器快速挤入5mL 5%的H2O2溶液，同时开始计时；

4.当量筒中的水达到30mL时（或注射器的活塞向右移动到30mL时），立即停止计时并记录好时间；

5.将每个小组的数据汇总取平均值，得出结论。

十、实验教学过程

活动一 验证有无催化剂对H2O2分解速率的影响

【导入】：【实验】教师演示网红实验——“大象的牙膏”

【提问】在这个实验中加入了MnO2反应才如此剧烈，MnO2有什么作用？

【思考并反馈】MnO2是催化剂，可以加快H2O2的分解速率。

【引导】除了MnO2以外，还有其他的物质可以加快H2O2的分解吗？

【小组讨论】利用提供的药品和仪器设计实验验证FeCl3、酵母粉也可以加快反应的速率；（注意：在提供的药品中，FeCl3既有固体也有溶液，酵母粉，学生要从控制变量法出发严格控制催化剂的状态）

【教师提示】①怎么检验没有加入催化剂时H2O2是分解了的？②需不需要验证催化剂不产生O2？

【交流与分享】小组分享实验方案

【总结】MnO2、FeCl3、酵母粉都可以加快H2O2的分解速率

活动二 探究不同催化剂的催化效果

【过渡】为什么实验室选择MnO2作为制取O2的催化剂，是因为它的催化效果更好吗？

【小组讨论】设计实验方案探究三种物质的催化效果（注意关键点：1.严格控制变量；2.有测定反应速率的方法。）

【交流分享】小组分享实验方案（大部分小组都是通过气泡产生的快慢或观察相同时间内气球的胀大程度进行验证）

【引导】同学们，我们观察事物程度大小不能仅仅从感官上感觉他存在的程度！而应该……？当今我们生活在什么时代啊？

【学生感悟】大数据时代，通过数据说明现实。

【过渡】同学们，请看看提供的仪器还有哪些没有用啊？请完善你的实验设计方案！

【交流分享】实验现象和结论

【结论】室温下，酵母粉的催化效果最好

【拓展】为什么实验室不用酵母粉作为制取O2的催化剂？

【讨论并交流】根据教师提供的资料进行讨论

【交流与分享】选择催化剂的依据不仅是催化效果，还要考虑其他因素（和生产实际结合，知道在选择催化剂时不能只看催化效果）

【课后思考】请在课后通过查阅资料、实验探究思考催化剂的反应原理，并在下一节课前展示。

十一、实验自我反思与效果评价

在本节内容的教学中，我扩大了实验材料，用到生活中常见的材料，增加了学生的学习兴趣；在使实验过程更加严谨的同时简化了实验操作，增加学生的思考时间；同时带领学生定量的分析反应速率，使结果更加直观；最后，我还引导课后思考催化剂的反应原理是什么？以及不同温度是否会影响催化剂的催化效果？让学生通过相关的资料进行探究，增加了课堂的延伸性。

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