以催化劑為情境載體的圖像類試題分析及解題技巧

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中明確要求，試題命制應以真實情境為測試載體，將化學知識作為解決實際問題的工具，重點考查學生核心素養的達成情況.催化劑因其特殊的學科及社會價值，在眾多領域中起到了重要作用，因此真實情境下的催化劑相關考題一直是高考的熱點，體現了高考試題的綜合性、應用性和創新性.本文結合近年高考真題，對催化劑的相關考點進行概念重整和分類釋疑，深化學生對催化劑的系統認知，構建解題模型.

1考查方式

1. 1 “環式\"催化循環圖

“環式\"催化循環圖（如圖1）是一種描述催化劑如何與反應物反應生成中間產物、循環之后又恢復的示意圖.此情境下的試題在近些年各省高考題中頻繁出現，對考生的觀察與分析能力、信息提取與推理論證能力要求較高.突破路徑為根據循環圖示信息，先判斷出催化劑、反應物、生成物、中間體，再結合問題作答.

例1 （2024 年廣東卷，節選）在非水溶劑中，將 轉化為化合物i（一種重要的電子化學品）的催化機理示意圖如圖1所示，其中的催化劑有和

分析循環圖可知， A c O H 和KI參與反應，且反應前后質量和化學性質并未改變，故催化刊為AcOH和KI.

【模型建構】1）分析循環反應歷程：通過箭頭方向，判斷一“劑”三“物\"（如圖2）.

反應物（ ①④ ） ① ② 生成物（ ②③ ）“只進不出” “只出不進”⑤ 6催化劑（⑤或 ⑧ ） 4 IV ⅡI 中間產物（ ⑥⑦ ）“失而復得” ⑧ ⅢI 3 “自生自滅”

2）慧眼巧辨催化劑與中間體：在反應歷程的第一步參與反應，反應后又生成的物質是催化劑；在反應過程中生成，隨后又被消耗的物質為中間產物.

3）若涉及定量問題，還需分析出反應的斷鍵和成鍵機理以及化合價的變化情況.

1. 2 能量一反應過程圖

此類試題以“能量一反應過程圖”為情境，針對基元反應、活化能、焓變、反應歷程等考點進行設問，突出考查學生的“理解與辨析\"“分析與推測”等關鍵能力.突破路徑為厘清活化能與反應速率的關系，關注反應的決速步驟.

1）“坡式\"路徑圖

例2（2024年廣東卷）對反應 S（ g）T（ g） （I為中間產物），相同條件下： ① 加入催化劑，反應達到平衡所需時間大幅縮短； ② 提高反應溫度， 增大， 減小.基于以上事實，可能的反應歷程示意圖（ 為無催化劑，-為有催化劑）為（ ）.

加入催化劑能降低反應所需的活化能，使反應速率大幅加快，且活化能大的步驟為決速步驟，故加入催化劑使最大活化能降低，由此排除B、D選項.升高反應溫度， 增大，說明反應 S（ g） T（g）的平衡逆向移動，為放熱反應， 減小，說明中間產物I的反應平衡向右移動，為吸熱反應，由此排除C、D選項.綜上，符合條件的反應歷程示意圖為選項A.

【模型建構】如圖3所示，在有催化劑的情況下： 為正反應的活化能， 為逆反應的活化能， ）為此反應的焓變（ （ Δ H ） .有催化劑時，總反應分成了兩個反應（也可能為多個），第一步活化能較大，為慢反應，決定總反應的快慢；第二步活化能較小，為快反應.催化劑改變反應路徑，使反應所需的活化能降低，加快反應速率，但不改變焓變.

2）“梯式\"能壘圖

此類試題情境將坡式圖像改為梯式，以“反應過程\"為自變量，“能量\"或“相對能量”為因變量，除了初始的反應物和終態的生成物外，既有中間體，又有過渡態，但是考查的核心知識并沒有變化.解題的關鍵為理解基元反應、活化能、能壘、決速步驟等概念，同時融人坡式圖像解題思路

例3（2024年甘肅卷）甲烷在某含Mo催化劑作用下部分反應的能量變化如圖4所示.下列說法錯誤的是（ ）.

A.

B.步驟2逆向反應的 Δ H = + 0 . 2 9e V C.步驟1的反應比步驟2快

D.該過程實現了甲烷的氧化

催化劑能改變反應路徑，使催化進程分步進行，但不影響始末狀態的相對能量，即總反應的 Δ H 不變.由圖4可知

步驟2逆向反應的 + 0 . 2 9e V ，選項A、B說法正確.步驟1的活化能 0 . 7 0 e V ，步驟2的活化能 （ - 0 . 7 1 e V）=0 . 2 2 e V ，能壘最大的反應為決速步，故步驟1的反應速率比步驟2慢，選項C說法錯誤.該過程中 轉化為 ，“加O”為氧化反應，選項D說法正確.答案為C

【模型建構】根據過渡態理論，在催化機理能壘圖中，一般有幾個過渡態（峰），就有幾個基元反應，且每步基元反應的快慢取決于其能壘的大小，能壘越大，反應速率越慢（如表1）.

1.3催化表面微觀機理圖

江蘇省高考對此類情境考查較多，常涉及反應物分子吸附在催化劑表面及斷鍵、成鍵問題，考查學生解讀微觀圖示信息、宏觀辨識與微觀探析的能力.根據元素電負性的變化規律，理解催化劑吸附機理，判斷催化中心元素化合價變化等可以作為解題突破口.

例4 （2024年江蘇卷，節選）氫能是理想清潔能源，氫能產業鏈由制氫、儲氫和用氫組成.已知：反應

可用于儲氫.使用含氨基物質（化學式為CN一 ， C N 是一種碳衍生材料）聯合 P d-A u 催化劑儲氫，可能機理如圖5所示.氨基能將 控制在催化劑表面，其原理是；用重氫氣 ）代替 ，通過檢測是否存在（填化學式）確認反應過程中的加氫方式.

催化機理的復雜性在于催化劑與反應物之間的相互作用以及反應路徑的多樣性.不同類型的催化劑和不同的反應體系（如均相催化、多相催化等）具有不同的催化機理.多相催化中的催化機理在高考題中考查較多，其催化為反應物分子向催化劑表面擴散、吸附于活性位點、發生表面反應、生成物從催化劑表面脫附等步驟.故答案為 可以與 形成氫鍵;CN—NHD或DCOO—.

【模型建構】多相催化反應中催化劑經常是固體，反應在催化劑表面進行，主要步驟可簡化為“擴散 吸附 表面反應 脫附”四個基本過程.

1.4以化工生產為背景的曲線變化圖

此類情境試題將催化劑概念及反應機理判斷等考查形式轉化為產率、轉化率等歸因分析，往往以曲線圖像為情境，從反應歷程、活性位點、催化劑活性，甚至結合平衡移動等角度考查學生的分析判斷能力.解題關鍵是根據反應特點明確變量，讀圖、識圖并加工處理圖像信息，聯系化學反應速率的影響因素對圖像變化進行合理猜想，找準切入點進行歸因分析.

例5（2024 年江蘇卷，節選）一定條件下，將氮氣和氫氣按 混合勻速通入合成塔，發生反應： N "2"+ 3 H"2＝αF e "/A l"2O "3 高溫、高壓＝2N3.海綿狀的α-F e 作催化劑，多孔 作為 α -Fe的“骨架”和氣體吸附劑. 含量與 α-F e 表面積、出口處氨含量關系如圖6所示. 含量大于 2 % ，出口處氨含量下降的原因是

多相催化體系中，氣體在固體催化劑表面反應時，同時進行著的吸附反應和解吸反應共同作用影響總反應速率.反應物被吸附在催化劑的表面，使反應物部分化學鍵被削弱，從而較易進行反應生成產物，所以催化作用能力的大小與催化劑的表面積大小密切相關.由此推理出解釋：多孔 可作為氣體吸附劑，含量過多會吸附生成的 ， 含量大于 2 % 時， α-F e 表面積減小，反應速率減小，這會導致產生的 減少.

【模型建構】結合題干中的信息，界定問題方向，根據已有的催化劑相關知識，按照一定的邏輯進行歸因分析，如催化劑“中毒”的原因（如圖7）.

2備考策略

2.1 回歸教材，構建知識體系

雖然催化劑的考查方式多種多樣，但考查所涉及的核心知識卻相對比較固定，因此我們可以借助教材將有關催化劑的內容進行系統的梳理（如表2），深刻理解其核心概念、作用機理、反應歷程、性能特點等知識，掌握催化劑相關問題的來龍去脈，提升知識的結構化水平，為解決催化劑情境下的高考題奠定堅實的理論基礎.

2.2 重整概念，強化必備知識

催化劑反應機理的很多信息雖然源自圖文，但是并未完全脫離教材，因此提取信息、分析問題的過程，既要結合題意進行大膽猜測，又要關聯必備知識小心求證.研讀教材和重整概念加深對催化劑知識內涵的理解，關聯氧化還原反應、鍵的斷裂與形成、電負性等內容，總結?？碱}型中的必備知識，從結構化角度入手將關聯性知識內容整合在一起，從而跨越章節和教材限制構建關系框架，顯化需要遷移的知識內容，有利于調用已學知識解決新問題.

2.3分類釋疑，構建解題模型

高考真題是最好的備考資料，將不同省份同種類型題放在一起進行類比，分析歸納共性的解題思路，則能撥云見日，提升解題的能力.解題過程中注重從題干和圖形中提取關鍵信息，結合催化劑的相關知識進行分析和推理，準確地把握設問的底層邏輯，提高解題的準確性和效率.同時多了解催化劑在能源轉化、環境保護、材料合成等工業生產和科學研究中的應用案例，培養靈活運用知識解決陌生問題的能力，以便能夠更好地應對各種復雜的化學情境.

（完）