大概念統領下催化劑考查解題模型的構建

【摘要】本文以近幾年高考真題中催化劑的考查為例，從解答這類題型的必備知識入手，分析此類題型的特點和解題技巧，對相關必備知識的內在聯系和規律進行歸納和提煉，形成學科大概念，進而以大概念為統領構建該類題型的解題模型。

【關鍵詞】大概念 高考真題 催化劑 審題模型 解題模型

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）05-0076-04

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對催化劑的學習提出了新的要求，要求學生在催化劑的學習中了解催化劑可以改變化學反應的歷程，認識催化劑在調控化學反應速率、反應效率、工業生產等方面的重要意義。近幾年催化劑的考查也成為高考的高頻考點，高考試題主要從催化劑對反應歷程、活化能、反應速率、反應效率、工業生產的影響等角度進行考查，通常以最新的科研成果或社會熱點問題為切入點，讓學生分析陌生情境中的圖像、圖表、反應效率、轉化率、產率等問題，重點考查學生解決陌生情境下真實化學問題的能力。這類試題具有一定的難度，學生需要對催化劑相關知識點及其內在聯系和規律進行提煉概括，形成學科大概念，在大概念的統領下結合具體情境進行分析，從而構建該類題型的解題模型。本文以近幾年高考真題中涉及催化劑的考題為例，分析催化劑常見的考查方向和解題需要掌握的必備知識，引導學生提煉概括相關必備知識的內在聯系和規律，形成學科大概念，進而在學科大概念統領下構建常見考查方向的解題模型。

一、催化劑循環催化機理的考查及其解題模型

對催化劑的認知，大部分學生只停留在單純的概念辨識層面，只知道催化劑在化學反應前后的性質和質量沒有發生變化，不能從理論上理解催化劑改變化學反應過程的實質，容易走入催化劑不參與反應的認知誤區。而催化劑改變化學反應歷程的一個重要原因是參與反應生成需要更低活化能的中間體，中間體再參與反應生成催化劑。催化劑改變反應歷程實際上是經歷了參與和生成兩個過程，即催化劑的循環催化機理。近幾年在某些省份的高考真題中，催化劑的循環催化機理成了高頻考點，考查催化劑的循環催化機理通常涉及陌生方程式的書寫、陌生產物的判斷等，情境較為復雜且物質較為陌生，學生需提煉概括催化劑循環催化工作機理后，結合具體情境進行分析，才能解決真實情境中的化學問題。因此，在高考備考復習中，教師有必要引導學生了解催化劑改變反應歷程的實質，讓學生從化學反應歷程能量變化出發，認識催化劑工作的原理是先參與反應生成中間體或者過渡態，中間體或過渡態再參與反應生成催化劑。在學生全面認識催化劑工作原理后，教師要引導學生提煉催化劑在改變反應歷程的過程中一般經歷以催化劑參與反應為起點、以催化劑生成為終點的循環催化機理學科大概念，學生在循環催化機理學科大概念的統領下，結合真實情境分析解決陌生情境下真實的化學問題。

例1（2018年北京卷節選改編） 近年來有研究人員提出利用含硫物質的循環實現太陽能的轉化與存儲，過程如圖1所示：

（3）I-是水溶液中SO2歧化反應的催化劑，其催化過程可能發生了如下兩步反應，請將其補充完整。

i. SO2+4I-+4H+[ ? ? ? ]S↓+2I2+2H2O

ii. ? ? ? ? ? ? ? ? 。

解析：對催化劑循環催化機理的考查，學生只要在循環催化機理學科大概念的統領下結合真實情境進行分析，便可快速找到解決問題的切入點。第一步反應是催化劑參與和中間產物生成的反應，第二步反應是中間產物參與和催化劑生成的反應，從中可知每一步反應的主要反應物和生成物，教師引導學生基于陌生方程式的書寫模型（第一步：抄，即根據信息分析抄寫主要反應和生成物；第二步：平，即根據價態變化配氧化劑、還原劑和氧化產物、還原產物的系數；第三步：補，即根據環境、電荷守恒和質量守恒補相應的離子和分子；第四步：查，檢查得失電子、電荷、質量是否守恒）即可書寫相關方程式或者判斷主要產物。由此可知第一步反應為催化劑I-參與和中間產物I2生成的反應，第二步則是中間產物I2參與和催化劑I-生成的反應，再結合情境可知該反應為SO2的歧化反應，因此反應ii的反應物還有SO2，由氧化還原反應原理可知生成物還有H2SO4，最后根據陌生方程式書寫模型書寫反應方程式。

第一步：抄，即根據信息分析抄寫主要反應物和生成物I2+SO2[ ? ? ? ?][SO2-4]+I-；第二步：平，即根據得失電子守恒配氧化劑、還原劑和氧化產物、還原產物的系數，可得主要反應物和生成物的系數為I2+SO2—[SO2-4]+2I-；第三步：補，根據環境及電荷守恒可知需在方程式右邊補4個H+，再根據氫原子個數守恒在方程式左邊補2個水分子，即可得反應ii的方程式為[I2]+SO2+2H2O[ ? ? ? ?][SO2-4]+2I-+4H+；第四步：查，檢查得失電子、電荷、質量是否守恒。

由例1分析可知，在催化劑循環催化機理的考查中，學生只要具備循環催化機理經歷的歷程和陌生方程式書寫模型學科大概念，整合、提取題目提供的信息，便可構建此類題型的解題模型：明確第一步為催化劑參與和中間產物生成的反應，第二步為中間產物參與和催化劑生成的反應→結合情境和氧化還原反應原理分析每步反應的主要反應物和生成物→根據陌生方程式書寫模型書寫相關反應方程式或判斷主要產物。

二、催化劑與能量變化、反應速率、平衡移動關系的考查及其解題模型

在催化劑與能量變化、反應速率、平衡移動關系的考查中，高考試題通常融入最新的科技成果或社會熱點問題，讓學生結合情境分析催化劑對化學反應速率、反應效率等的影響，試題通常以選擇、計算、作圖等形式呈現，情境有時較為陌生，學生如果沒有總結提煉催化劑能夠引起的變化和不能引起的變化，在解決真實情境中的化學問題就存在一定的困難。解決此類問題的關鍵在于分析催化劑與化學反應能量變化、化學反應速率、化學平衡移動的關系，總結提煉催化劑能夠引起的變化和不能引起的變化學科大概念。因此在高考備考復習時，教師在引導學生認識催化劑與化學反應能量變化、化學反應速率、化學平衡移動關系的基礎上，要重點總結提煉催化劑能引起的變化：降低反應的活化能、加快反應速率、縮短反應時間、提高單位時間內轉化率；催化劑不能引起的變化：不能改變反應熱、平衡轉化率、化學平衡常數、平衡移動。在陌生的情境中，學生只要基于這些學科大概念分析具體真實的化學問題，便可構建該類題型的解題模型。

例2（2016年浙江卷節選改編） 科學研究表明催化還原CO2是解決溫室效應和能源問題的一種非常重要的手段。研究發現，CO2和H2可在Cu/ZnO催化劑催化下發生如下兩個平行反應：

（2）下列措施可提高反應I中CO2的平衡轉化率的是_______。

A.使用催化劑Cat.1

B.使用催化劑Cat.2

C.升高反應體系的溫度

D.保持投料比，增大壓強

E.降低CO2和H2的初始投料比

解析：學生僅從表格的數據很容易對選項A和選項B進行錯誤分析，由表格數據學生直觀看到在兩種催化劑催化下CO2的轉化率和甲醇選擇性不同，便誤認為催化劑Cat.1和催化劑Cat.2對平衡轉化率有影響。我們仔細分析表格中的數據便可以發現，表格中CO2的轉化率和甲醇選擇性僅為相同壓強和反應時間下的轉化率和甲醇選擇性，未說明為達到平衡時的轉化率，學生如果已構建了催化劑能夠引起的變化和不能引起的變化學科大概念，明確催化劑只能改變單位時間內轉化率，不能改變平衡轉化率，便可得知由表格數據只能說明在兩種催化劑催化下CO2的單位時間內轉化率不同，但是題目要求的是平衡轉化率，因此便可得知無論是催化劑Cat.1還是催化劑Cat.2對平衡轉化率都無影響，由此可走出誤區，然后再從平衡移動的影響因素分析可知D、E選項都有利于平衡轉化率的提高，可得出正確答案為D、E。

基于例2分析，對在工業生產、最新研究成果中考查催化劑與化學反應能量變化、化學反應速率、化學平衡移動的關系，學生只要緊緊圍繞催化劑能引起的變化和不能引起的變化學科大概念，結合情境分析，便可構建該類題型的解題模型：抓住情境中的具體數據→圍繞催化劑能引起的變化和不能引起的變化學科大概念→結合情境和選項分析→得出正確答案。

三、催化劑活性及其影響因素的考查及其解題模型

催化劑的活性是指催化劑對化學反應的催化效果及催化能力。在高考題中，催化劑活性的考查主要通過實驗數據或者圖像等形式呈現，讓學生根據數據等分析催化劑的活性隨外界條件改變而呈現的變化。因此，在高考備考復習中我們要引導學生能夠正確認識催化劑的活性與溫度等外界條件的關系，通過拓展影響催化劑活性的因素，師生一起總結提煉要領：一般情況下催化劑的活性在一定溫度范圍內最大，溫度過低催化劑的活性低，溫度過高催化劑可能會失去活性。教師進而引導學生提煉概括解題思路：事物的發展一般會存在最佳條件，從分析最佳條件入手，便可更好地解決真實情境中的化學問題，從而在高三復習中促進學科核心素養的發展。

例3（2018年江蘇卷節選改編） NO和NO2等氮的氧化物（NOx）是大氣主要污染物之一，如何去除大氣中氮的氧化物（NOx）是環境保護的重要課題。

（4）在一定條件下，NH3和NOx在新型催化劑M的催化下反應生成N2。

②現將O2、NH3和NOx按一定比例混合后，通入裝有催化劑M的反應器中反應，裝置如圖2所示。

反應在單位時間內氮的氧化物（NOx）的去除率隨溫度的變化曲線如圖3所示，在50℃—250℃范圍內隨著溫度的升高，氮的氧化物（NOx）的去除率先迅速上升的主要原因是______ ，隨后上升緩慢的主要原因是______。

解析：此類題為由果導因題型，情境較為復雜，學生接觸題目后無法第一時間找到切入點，在解題過程中會感到迷惘。對此類題型，教師要引導學生總結提煉方法。在外界條件改變的情況下，一般從分析化學反應速率、化學平衡移動、副反應、催化劑的活性等如何改變入手，哪個物理量變化與情境的變化一致，那么變化的那個物理量即為所要分析的原因。因此，在此題的解答中，學生主要抓住這個學科大概念，圍繞溫度改變催化劑的活性、化學平衡移動的變化，再結合催化劑的活性與溫度的關系進行分析，便可得知剛開始隨著溫度的升高，催化劑的活性增大，且隨著溫度升高，平衡右移，因此隨著溫度升高NOx的去除率迅速增大；而當溫度過高時，催化劑的活性降低，但平衡依然向右移動，故NOx的去除率上升緩慢。

在涉及催化劑活性的考查中，學生要基于由果導因題型的思考方向，再結合催化劑活性與溫度的關系，構建該類題型的解題模型：根據實驗數據或圖像變化明確具體哪個條件發生改變→分析外界條件改變后催化劑活性、化學反應速率、化學平衡移動如何改變→分析催化劑的活性溫度范圍→選擇反應溫度或進行理論分析。

四、催化劑的選擇、催化效果比較的考查及其解題模型

不同的催化劑對反應催化能力是不一樣的，近幾年在某些省份的高考題中，通常讓學生結合實驗數據對催化劑的催化效果進行比較或者對反應的催化劑進行選擇，因此在高考備考復習中有必要讓學生了解化學反應速率、化學平衡與化工生產的關系，讓學生認識化工生產需要考慮成本、速率、產率等多重因素，總結提煉化工生產條件控制學科大概念，讓學生基于學科大概念結合真實情境進行分析，從化學反應速率、單位時間轉化率、抑制副反應等角度分析催化劑的選擇或者催化效果優劣的比較。

例4（2018新課標Ⅱ卷節選改編） CH4-CO2催化重整不僅對溫室氣體的減排具有重要意義，還可以得到CO和H2，請回答下列問題：

（2）反應中存在的消碳反應和積碳反應，而催化劑的活性會因積碳反應而降低。相關數據如表2所示：

①由上表數據分析催化劑X ? Y（填“優于”或“劣于”），理由是 ________。

解析：催化劑的活性受積碳反應影響，其關鍵點在于分析積碳反應和消碳反應的有利條件，根據表格數據分析可知在催化劑X作用下，積碳反應的活化能低，而消碳反應的活化能高，因此更有利于積碳反應的進行，故催化劑的活性會降低。學生基于這樣分析便可得知催化劑X劣于催化劑Y。

由此可見，在催化劑的選擇或者催化劑催化效果的比較問題上，學生要基于催化劑對化學反應速率快、單位時間轉化率高、抑制副反應等角度進行分析，構建該類題型的解題模型：反應速率快（單位時間內轉化率高）/抑制副反應→活化能小→催化劑催化效果好。

變式訓練（2016年浙江卷節選改編） 解決溫室效應和能源問題的重要手段是催化還原CO2。研究表明，CO2和H2可在Cu/ZnO催化劑存在下發生如下兩個平行反應：

CO2（g）+3H2（g）[]CH3OH（g）+H2O（g）

ΔH1=-53.7 kJ·mol-1?Ⅰ

CO2（g）+H2（g）[]CO（g）+H2O（g）

ΔH2? ? ? ? Ⅱ

某實驗室控制在相同壓強、相同反應時間下，按CO2和H2初始投料比為1∶2.2進行的實驗數據如表3所示：

備注：催化劑Cat.1：Cu/ZnO納米棒；催化劑Cat.2：Cu/ZnO納米片；甲醇選擇性：轉化的CO2中生成甲醇的百分比

（4）請畫出反應Ⅰ在有催化劑Cat.1和有催化劑Cat.2、無催化劑三種情況下“化學反應過程—能量”示意圖。

解析：由實驗數據可知，在催化劑Cat.2的催化下，甲醇的選擇性高，即反應I單位時間內CO2的轉化率高，因此可知催化劑Cat.2的催化效果比催化劑Cat.1好，反應的活化能小，基于此學生可以畫出如圖4所示的“化學反應過程—能量”示意圖。

隨著新課改的深入推進，高考對催化劑的考查也由原來單純的概念辨識向定性、定量分析轉變，向宏觀辨識、微觀探析轉變，注重化學核心素養培養的真正落地。因此，在高考備考復習過程中要充分梳理催化劑概念的內涵和外延，引導學生構建知識體系，指導學生基于催化劑循環催化機理以及催化劑對化學反應影響的結果構建知識體系，形成解決陌生情境下真實化學問題的模型，提高學生解決陌生情境下真實化學問題的能力。

參考文獻

［1］盧敬萱.2016年高考“明星”考點：催化劑［J］.教學考試，2017（5）.

［2］陳曉雷.高考“明星”考點：催化劑［J］.理科考試研究，2018（23）.

［3］周偉華.催化劑在高考試題中的考查［J］.中學化學，2018（12）.

［4］尹滄浪.基于真實情境下催化劑考查形式的多維分析［J］.中學化學教學參考，2018（5）.

作者簡介：蘇宏巖（1988— ），廣西大化人，高級教師，主要研究方向為高中化學教學。

（責編 林 劍）