催化剂选讲（校本课程）

                           张里艳

一、教学目标

1．  知识与能力：

a．  了解催化剂的概念，催化过程，催化原理。

b．  了解催化剂设计的一般目的及几种新型催化剂。

c．  了解化学催化剂的一些有趣的研究方向。

2．  过程与方法：

a．  通过催化剂的学习，体会生活与化学的紧密关系，工业与化学的紧密关系。

b．  通过催化原理的学习，感受催化剂设计的精妙之处，培养科学思维方法。

3．  情感态度与价值观：

a．  通过催化剂的学习，体会催化剂设计的精妙之处，培养热爱化学科学的情感。

b．  通过新型催化剂的相关学习，了解前沿科学，激发学习化学的兴趣。

二、课程及学情分析

1．  课程设计目的：

催化剂是化学科学中的重要内容之一，高中化学课程中涉及催化剂的知识，但知识停留在概念的提及，对于催化剂工作的相关原理解释的不够清楚。但是经常有学生问及催化剂是如何增快反应速率、如何降低活化能等相关的问题。本课程针对这些问题，主要介绍催化剂作用原理及一些新型催化剂的设计，帮助学生加深对催化剂的理解，并帮助学生感受催化剂设计的精妙之处，体会学习化学科学的乐趣。

2．  学情分析：

a．  从学生知识储备来看，本课程的授课对象是高中二年级理科班学生，学生已经学完了化学必修一和必修二及部分化学原理知识，学生对催化剂已经有了一定的认识，了解了催化剂可以加快化学反应速率、降低活化能的作用。

b．  从学生年龄特征来看，高中学生正是具有强烈的好奇心的年纪，他们对不知道的东西总喜欢探究清楚，催化剂在高中只是提及，具体的作用原理并没有解释，学生对催化剂的原理及一些新型催化剂的设计会比较好奇。

三、教学重点及难点

1．  教学重点：

a．  催化剂作用过程及原理；

b．  新型催化剂：纳米催化剂、分子筛催化剂；

c．  未来催化剂设计的方向介绍。

2．  教学难点：

a．  催化剂的过渡态的理解；

b．  纳米催化剂的制备；

c．  分子筛概念的理解。

四、教学方法分析

本课程设计的内容对学生来说，理解上存在一定的困难，主要采用的教学方法有：

1．  多媒体演示法：通过多媒体的演示，将催化剂作用过程形象的表现出来，将一些抽象的知识通过示意图等手段给学生展示，帮助理解。

2．  学生讨论法：针对有些问题，可以发挥学生的想象力，让他们自己去猜想，提出自己的想法。

3．  推理归纳法：讲述原理，然后学生自己去推测问题如何解决，归纳得出方案。

4．  讲述法：针对催化原理等新的知识点需要讲述。

五、教学过程

第一课时  催化原理及过程

1．  课程介绍：

首先介绍本课程的目的及内容，包括四课时的内容：催化原理及过程、纳米催化剂的制备、分子筛催化剂、催化剂设计展望。帮助学生了解本课程要讲述的知识，激发学生的学习兴趣及让学生做好学习的准备。

2．  催化剂的概念：

复习课本上的催化剂的概念：在化学反应里能改变化学反应速率，且本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有发生改变的物质。

提出问题：为什么催化剂能够加快化学反应速率？

学生回答：因为催化剂能够降低反应的活化能。

提出在化学反应过程中，都存在过渡态，解释过渡态的概念：过渡态是指反应物体系转变成产物体系过程中,经过的能量最高状态或称活化络合物。过渡态键的状况是:旧键未完全断裂,新键未完全形成。过渡态是不稳定的,不能分离出来。过渡态和反应物的能量差(△E)称为活化能。不同的反应体系有不同的活化能,活化能愈大反应愈困难。

在没有催化剂的时候，过渡态比较难形成，能量较高，反应速率就慢。当加入催化剂时，会和反应物形成一种能量更低的过渡态，所以活化能较低，反应速率快。

3．  催化剂的应用：

催化剂广泛用于化学工业、石油加工工业、能源、制药工业以及环境保护领域。降低成本，节约能源。约有90%以上的化学反应过程中使用催化剂。

4．  多相催化作用过程：

催化过程分为均相催化和多相催化，今天我们以多相催化为例，介绍催化反应的过程。从碰撞理论来讲：任何化学反应过程都是有效碰撞的过程。所以发生化学反应的前提都是要互相接触。

通过示意图接受催化反应的五个独立的过程：

①反应物分子向催化剂扩散；

②靠近催化刑表面的反应物分子被催化剂吸附；

③被吸附的分子在催化剂的作用下进行化学反应；

④生成的产物分子从催化剂上脱附下来；

⑤产物分子从催化剂外表面再扩散出去。

从而提出要发生催化反应，反应物必须和催化剂接触，所以提高催化剂的表面积非常有必要，用图示来帮助学生理解。举例1立方厘米的催化剂，怎样才能使它的表面积增大？

学生讨论后，用具体的数据展示块状的催化剂和纳米颗粒大小的催化剂表面积的巨大差异。

提出课后讨论问题，根据接触的原理，如果让你来设计催化剂，你是如何提高催化剂的催化活性的？

第二课时  纳米催化剂的制备

1．  课题引入

通过上节课最后的问题“如何使催化剂的催化效果更好？”这个问题来引入课题。很明显，催化剂颗粒越小，表面积越大，催化活性越好。

提问：你能将催化剂做成多小呢？

研磨成粉末，看起来很小，但是我们都能看到呢，能小么，最起码也有几微米大，还不够小，现在的化学里面都是将催化剂制备成纳米级大小的颗粒。

2．  纳米催化剂的制备方法

提问：纳米大小的催化剂分散在溶液中，是什么状态？

胶体。

进一步提问：胶体有什么性质。

在加热或者盐溶液中或者外部有扰动时容易发生聚沉。发生聚沉之后，催化剂颗粒就会变大，活性就会丧失。

那么如何制备稳定的纳米催化剂呢？

一般是将纳米大小的催化剂固载到一定的载体上，今天介绍的是将金纳米颗粒固载到中孔材料中。中孔材料的孔道大小大概是10纳米，然后将1-2nm的金纳米颗粒固定到中孔材料的孔道中，这样形成的催化剂就能非常稳定的存在了。通过示意图及图片展示，帮助学生理解。

学生可能会提问，中孔材料是如何制备的，如何将金制成纳米大小的颗粒以及如何固定到中孔孔道中的。针对这些问题用示意图介绍一下，加深学生的印象，感受化学科学的奇妙之处。

3．  纳米催化剂的优点

请学生对比纳米催化剂和常规大块的催化剂，归纳出纳米催化剂的优点：

p   提高催化剂的催化效果；

p   催化剂的寿命更长，不容易失活；

p   可以节约使用贵金属催化剂的用量，提高经济效益。

4．  纳米催化剂的应用举例

对比以上两个反应，当我们以贵金属为催化剂时，不可能用大块大块的金属来做催化剂，成本太高了，为了节约成本，将金催化剂制备成纳米催化剂可以大大的节约成本及提高催化效率。

第三课时  分子筛催化剂

1．  分子筛的概念

通过类比家里米筛来理解分子筛的概念，米筛是用来筛米的，米可以通过小孔，分子筛是用来筛选分子的，分子筛的小孔非常小，大概只有0.5~2nm。分子筛一般是由硅氧四面体构成。

从而得出分子筛的概念：分子筛是由硅氧四面体通过氧桥键相连而形成其晶体结构中具有规整而均匀的孔道和空腔体系，孔径大小为分子数量级（通常为0.3~2.0 nm），从而能把形状直径大小不同的分子，即具有“筛分“分子的特性，故称为分子筛。

通过一系列的图示展示分子筛的构成，形象直观的帮助学生理解分子筛是有什么构成的，以及其中的孔道是如何构成的。

2．  分子筛催化剂的制备

提出问题：我们讲到纳米催化剂的时候，是将催化剂材料分散成纳米大小的粒子，从而增大催化剂的表面积，增大催化效果。如果我们做到极致，将具有催化活性的物质分散成一个一个的原子，这样是不是能具有更好的催化活性呢？

我们知道分子筛是有硅氧四面体构成的，中心原子是硅，如果我们用具有催化活性的原子替换中心原子硅，使活性原子嵌入分子筛中，这样得到的催化剂就是我们现在要介绍的分子筛催化剂。

一般分子筛催化剂的制备过程中，我们需要用到特殊的手段将活性原子嵌进去，但是即使用特殊的手段，我们也仅仅只能将几种有限的原子嵌入到分子筛骨架中，如铝原子、磷原子、钛原子等。

3．  分子筛催化剂的优点

请同学们对比纳米催化剂和分子筛催化剂，分子筛催化剂有什么优点呢？

学生通过讨论并发言，教师补充得出优点：

A）催化剂分散的更加均匀，更加分散；

B）催化剂原子被嵌入了分子筛骨架中，更加稳定，寿命长，可重复使用；

C）可以根据分子筛孔道尺寸的大小，选择性的发生需要的反应。

4．  分子筛催化剂的应用

分子筛催化剂在工业生产中大量应用，主要表现在：含铝的分子筛催化剂大量用于炼油工业等；含钛的分子筛催化剂用于催化氧化反应。

应用举例：

a．  环氧丙烷的生产

环氧丙烷是工业上重要的化工原料，每年需求量达到几千万吨，现在一般采用的生存工艺流程是：

请学生分析该反应的缺点。讨论后可以得出：传统工艺过程中会产生强酸性物质，对反应设备腐蚀很严重，对设备要求较高，同时又大量的副产物氯化钙产生。原子利用率不高。

而如果我们采用含钛的分子筛作为催化剂，反应过程如下：

请学生对比两个工艺流程，说出用分子筛催化剂的优点。讨论后可以得出：采用新工艺，工艺流程简单，反应对设备要求低，副产物只有水，非常的绿色环保。

b．  对二甲苯的制备

在对二甲苯的生产过程中，我们一般用甲苯和甲醇反应，涉及的反应方程式常有两个：

常常伴随着间二甲苯的产生，产生大量的副产物，如何避免副产物产生呢？如果我们采用分子筛催化剂，可以设计反应方式如下：

使催化剂的活性位点存在于分子筛的孔道内，当甲苯和甲醇在催化剂的表面发生反应后，一样会产生间二甲苯，但是因为孔道大小的限制，产生的间二甲苯出不来，所以得到的产物只有对二甲苯。

第四课时  催化剂设计展望

1．  引题

前面三节课介绍了催化剂的催化过程及原理，以及介绍了两种新型催化剂，纳米催化剂和分子筛催化剂。今天这节课主要介绍目前催化科学家正在研究的一些课题，未来的催化剂或者说是催化剂的研究方向。

2．  生物酶和分子筛的结合催化剂

提问：生物体内的化学反应有催化剂参与吗？催化活性如何？选择性如何？

通过生物及化学里学到的知识，学生知道生物体内的化学反应基本都是有酶参与的，酶也是一种催化剂，而且酶是一种非常高效的催化剂，同时具有非常高的选择性，只催化某一种反应或者某一类反应。

但是生物酶很难应用到化工生产中，因为酶非常珍贵，用完了我们总想将酶和反应液分开，能够继续使用。但是分离提纯酶就存在非常大的问题，如果我们将酶和分子筛结合，将酶固定在分子筛或者中孔材料的孔道内，反应完后可以非常方便的将催化剂分离出来，这样将非常的完美。

通过示意图展示将两者结合的催化材料，请同学们思考这种新型催化剂的优点以及制备上可能存在的挑战。

学生讨论后请学生代表回答。

优点有：

p   酶是非常高效的催化剂，只要一点点催化剂就能催化大量的物质发生反应；

p   分子筛具有筛选分子的功能，起到固定酶的作用，防止酶聚集；

p   反应条件温和，一般是生物体的体温。

挑战有：

p   酶的固定，如何将酶（有机物）和载体（无机物）稳定的链接起来；

p   在制备的过程中，如何防止酶变性失活。

3．  “一锅法”催化
    在工业生产中，很多产物我们需要经过好几步反应才能得到，这给我们分离提纯带来了巨大的问题。一般来说，在工业生产上，一步反应发生比较容易，而后续的提纯操作将要复杂的多，消耗的人力物力要多得多。因此在生产上，我们尽量采用流程比较短的反应，但不可避免的时候怎么办呢？

尽量采用一锅法来生产，避免提纯过程，我们将多步反应在一个体系内同时进行，直接得到需要的产物。那么这样我们如何设计我们的催化剂呢？需要尽量避免两个反应相互干扰，同时要使两个反应之间的物质传递尽量便捷，使一个反应的产物马上转移给另一个反应，作为它的反应物。

在这里，常采用核壳结构的催化材料，让催化剂的核和壳分别催化一个反应，这样物质之间的交换就非常快，第一步反应的产物一产生，马上参与第二个反应。

通过示意图展示，请学生归纳总结出有点和可能存在的挑战：

优点：

p   多步反应在一个反应体系中完成，避免了中间产物的分离提纯。

p   特别是中间产物不稳定，或者难以提纯的情况下，可以提高最终产物的产率。

挑战：

p   催化剂的制备和设计，不同孔道之间如何能连通的更加流畅；

p   不同壳层之间如何能够稳定的结合在一起。

4．  碳纳米管催化剂

通过足球烯的结构帮助学生理解碳纳米管，如果将足球烯拉长，就形成了碳纳米管。碳纳米管具有非常好的性质，化学性质稳定，内部有大小可以控制的孔道，是理想的催化剂载体。

请同学们讨论分析纳米催化剂的优点及可能存在的挑战：

优点：

p   表面积大，硬度大，具有较强的热稳定性，是非常好的催化剂载体。

p   催化活性位点可以固定在纳米管中，通过尺寸和形状控制可以选择催化特定的反应。

挑战：

p   碳纳米管制备成本过高；

p   催化剂的均匀固定在纳米管中还存在一定困难。

六、教学反思

教师在上课的过程中不断反思上课过程中存在的问题，知识点衔接的问题等，让学生都能听得懂，听了能够感兴趣。

同时可以通过学生问卷的形式帮助教师分析教学过程的得失。