催化機理在近五年高考試題中的考查研究

周小秀 劉陳香 鐘輝生

（1.贛州市第三中學 江西 贛州 341000；2.贛州中學 江西 贛 州 341000；3.贛州市教育教學科學研究所 江西 贛州 341000）

一、問題提出

催化劑號稱“工業味精”，是改變化學反應速率最有效的手段之一，據統計有90%以上的化學工業都使用了催化劑，使用催化劑可以帶來巨大的經濟效益。［1］催化劑改變了反應歷程，改變了反應速率。對反應歷程的研究要追溯到兩位偉大的化學家西里爾·欣謝爾伍德（Cyril Norman Hinshelwood）和尼古拉·謝苗諾夫（Nikolay Nikolaevich Semyonov）。他們提出一個看似非常簡單的反應，如氫氣與氧氣反應生成水，實際上發生了復雜的鏈反應。他們開創了對化學反應機理的研究，并于1956年成功獲得了諾貝爾化學獎，其研究為有機和無機化學開辟了廣闊的新途徑。在研究反應機理中作出巨大貢獻的還有一位偉大的化學家艾哈邁德·澤維爾（A.H.Zewail），他第一個揭示了化學反應轉折點——化學鍵的斷裂和形成時刻，其“用飛秒光學對化學反應過渡態的研究”獲得了1999年諾貝爾化學獎，相關素材已嵌入到新課標人教版、蘇教版和魯科版教材中。［2-4］使用Zewail的技術可以更深入地研究反應機制，即催化過程，這有助于實現化學夢想:控制反應的過程。正是有了他們對反應機理和過渡態的研究基礎，隨后涌現出一大批在催化劑領域的創新研究成果，其中在“不對稱催化”方面的創新研究被兩次授予了諾貝爾化學獎（2001 年和2021 年）。2022 年1 月，我國云南大學柳清菊教授的合作團隊發表了最強光催化劑分解水制氫的研究成果［5］。

二、催化劑素材在教材中的體現

《普通高中化學課程標準（2003 年版）》（簡稱“舊課標”）對催化劑的認知要求較低，停留在宏觀表征方面，即催化劑的使用降低了活化能，進而提升了反應速率?！镀胀ǜ咧谢瘜W課程標準（2017 年版）》（以下簡稱“新課標”），增設了反應機理的微觀視角，拓寬了學生的視野，為深入理解催化機理奠定基礎。新舊課標有關催化劑要求對比詳見表1。

表1 催化劑教學要求在新舊課標中的對比

現行各版本新教材（2019 年版）有關反應機理的素材非常豐富，其中魯科版以氫氣與氧氣反應為例，教材明確指出反應約經歷了12步反應才能完成。不同版本教材中反應機理教學素材詳見表2。

表2 不同版本新教材有關反應機理的素材

新課有關催化劑的要求既完善了學生的認知視角，又豐富了學生的科學視野，也有助于培養學生科學探究的創新精神，落實學科核心素養。教學實踐過程中我們要充分挖掘催化劑素材背后的育人價值。

三、近五年高考試題中的催化劑素材

新型催化劑的開發和催化機理的研究成了當前熱點，催化劑前沿的科研成果成了高考命題專家青睞的命題素材，以我國科技工作者的科研成果為素材還可增強學生的科技自信和文化自信。［9］催化劑素材吻合了新課標倡導的基于真實情境為測試載體的試題命制原則，在真實情境中測試學生的學科核心素養。［10］自2018年起，催化劑素材廣泛出現在高考試題中，其信息呈現方式及社會價值見表3。

表3 2018-2022年高考試題中的催化劑信息呈現方式及社會價值

從表3可清晰看出，催化機理素材自2018年出現在高考試題后，考查呈逐年遞增的趨勢，其中尤為突出的是2021年。深入研究發現，2018、2019年有三份試題涉及催化劑素材，但僅有一份呈現了反應歷程圖。2020 年此類素材重點以經典的催化循環機理圖的形式呈現，2021年催化機理素材迅速發展為當年高頻熱點題型，在六份試題中均有考查。2022年依然延續催化循環機理熱點題型，有三份試題涉及。

四、催化劑素材的熱點題型及復習策略

1.抽提信息呈現方式，剖析信息內涵

2018年北京卷首次出現了催化機理（見例1）。其圖像呈現了相關物質結構參與催化過程的示意圖，圖像融合了物質結構變化及能量變化的雙重信息，而對催化劑參與過程僅圖示了“催化劑”“過渡態”等信息，未呈現催化劑的具體結構及其反應歷程。例1是對催化劑素材考查的開創性嘗試，后期逐漸豐富完善。由表3統計發現，此類素材有兩種經典的信息呈現方式:催化劑參與循環的機理圖和反應歷程圖。其中2021年湖南試題同時呈現了兩大信息（見例2）。

例1.【2018 年北京卷第7 題】我國科研人員提出了由CO2和CH4轉化為高附加值產品CH3COOH 的催化反應歷程。該歷程如圖所示（見圖1）。下列說法不正確的是（）。

A.生成CH3COOH總反應的原子利用率為100%

B.CH4→CH3COOH過程中，有C-H鍵發生斷裂

C.①→②放出能量并形成了C-C鍵

D.該催化劑可有效提高反應物的平衡轉化率

例2.【2021 年湖南卷第14 題】鐵的配合物離子（用［L-Fe-H］+表示）催化某反應的一種反應機理和相對能量的變化情況如圖所示（見圖2），下列說法錯誤是（）。

B.H+濃度過大或者過小，均導致反應速率降低

C.該催化循環中Fe元素的化合價發生了變化

D.該過程的總反應速率由Ⅱ→Ⅲ步驟決定

對表3相關試題（共19套）進行統計分析，得出兩種信息呈現方式出現頻次（詳見表4）。

表4 2018-2022年試題中兩種信息的考查頻次

2.聚焦設問角度，建構思維模型

由表4可知，此類試題蘊含豐富的素養，為全國各地高頻熱點題型，在復習備考中該如何破解此類題型，實施精準教學呢？我們要著力研究試題的設問特點并提煉思維模型。

（1）反應歷程圖

例3.【2019年全國Ⅰ卷第28題，節選】我國學者結合實驗與計算機模擬結果，研究了在金催化劑表面上水煤氣變換的反應歷程，如圖3所示，其中吸附在金催化劑表面上的物種用*標注。

圖3 水煤氣變換反應歷程示意圖

可知水煤氣變換的ΔH____0（填“大于”“等于”或“小于”），該歷程中最大能壘（活化能）E正=_____eV，寫出該步驟的化學方程式____________________。

例，其反應歷程的認知模型如圖4所示。結合相關物質的相對能量，進而繪制出反應歷程圖。圖中信息主要追蹤了歷程中的化學物種（分子、自由基等）的形態變化及能量變化，試題一般設問模式為:宏觀表征總反應的焓變、過程中的決速步（或最大能壘），微觀推導某步驟反應等。注意解讀歷程中由物質吸附或脫附所帶來的能量變化，相關步驟甚至有可能是總反應的決速步，如在新課標魯科版在介紹合成氨的催化歷程中明確提出:第一步（氮的吸附分解）所需活化能最高，是控制反應的關鍵步驟。［11］

圖4 反應歷程的認知模型

（2）催化循環機理圖

由例2可知，此類試題的構建模式為:以某配合物催化劑參與整個循環過程機理圖的方式呈現，圖中側重體現配合物催化劑結構變化及過程中的反應物、生成物、中間體等相關信息。對表2 中7 份相關試題進行深度剖析，結合新課程標準，歸納出其設問模式及對應考查的素養水平（見表5）。

表5 常見設問角度及素養水平

對于設問（1）至（4）較基礎，素養水平較低，仔細審題即可破解；相對較復雜的設問（6），要點在于建構理解的思維模型，現以2020年江蘇第20題為例（例4）進行思維建模。

例4.【2020 年江蘇第20 題，節選】HCOOH 催化釋氫。在催化劑作用下，HCOOH 分解生成CO2和H2可能的反應機理如圖5所示。

圖5 催化HCOOH分解制H2機理

圖6 催化HCOOH分解制H2思維模型

①HCOOD 催化釋氫反應除生成CO2外，還生成_____（填化學式）。

②研究發現:其他條件不變時，以HCOOK 溶液代替HCOOH 催化釋氫的效果更佳，其具體優點是__________________________。

模型建構如下:

思維模型建構過程要關注轉化歷程中相關粒子所帶電荷，陰離子（如HCOO-、H-）能對中心原子（或離子）進行配位，過程中的H+（提供空軌道）與提供電子對的原子（如上題中的N 原子）形成配位鍵?？茖W家對不同催化劑催化HCOOH 分解制H2的研究特別多，此素材在2021年湖南試題中有非常經典的呈現。

五、結語

催化劑技術的更新對人類發展貢獻巨大，創造了巨大的經濟價值，尤其是在環境保護和新能源開發方面顯示出獨特的價值。催化劑的研究與開發成了當前化學研究的熱點，成果不斷涌現。與舊課標相比，新課標增加對催化劑微觀機理的要求。選擇催化劑領域的最新研究成果作為高考試題的情境素材，既能彰顯化學學習的價值追求，啟發學生的創新思維，又能培養學生的創新精神、厚植學生的責任意識。

在備考中我們要秉承“試題聚焦的是素養，變化的是情境，不變的是知識”的原則，深刻理解催化過程中的反應歷程和循環催化機理，建構認知模型，不斷提升學生對催化劑的學科理解水平。