新課程標準下催化劑在高考中的考查分析

中圖分類號：G632 文獻標識碼：A

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對催化劑的內容要求是“了解催化劑對化學反應速率的影響，知道催化劑可以改變反應歷程，對調控化學反應速率具有重要意義”；對催化劑的學業要求是“能運用催化劑對化學反應速率的影響規律解釋生產、生活、實驗室中的實際問題，能討論化學反應條件的選擇和優化”[1].催化劑是化工生產中技術改進的關鍵，是高中化學反應原理中重要的內容，高考中對催化劑的考查也是形式多樣.

1 教材呈現

不同版本的教材都對催化劑進行了內容設計.魯科版做了翔實的介紹：催化劑通過參與反應改變反應歷程、改變反應的活化能改變反應速率；催化劑不能改變化學反應的平衡常數，不能改變平衡轉化率；催化劑具有選擇性；催化劑的活性除了與自身成分有關外，還受到粒徑、合成方法等因素以及反應溫度、壓強等條件的影響；研制高效催化劑來提高有關化學反應的速率對于化工生產具有十分重要的意義.

本文對催化劑在高考中的考查內容和方向作以下四個方面的分析.

2 考查分析

2.1 理解催化劑基本概念

例1（2023年·廣東卷題15 節選）催化劑I和Ⅱ均能催化反應 .反應歷程（如圖1所示）中，M為中間產物.其他條件相同時，下列說法不正確的是（ ）.

A.使用I和 I ，反應歷程都分4步進行B.催化反應 為放熱反應C.使用Ⅱ時，反應體系更快達到平衡D.使用I時，反應過程中M所能達到的最高濃度更大

解析由圖1可知：I和Ⅱ催化反應時均出現四個峰，所以反應歷程都分4步進行；I催化時的最高活化能小于Ⅱ催化時的最高活化能，所以使用I時反應速率更快，反應體系更快達到平衡；前兩個歷程中使用I時的活化能較低反應速率較快，后兩個歷程中使用I時的活化能較高反應速率較慢，所以使用I時反應過程中M所能達到的最高濃度更大.所以，C的說法不正確.

例2 （2024年·江蘇卷題5）下列說法正確的是（ ）.

部分材料：催化反應廣泛存在，如豆科植物固氮、 V₂O₅ 催化氧化 SO₂ 等.催化劑有選擇性，如C₂H₄ 與 0₂ 反應用 Ag 催化生成環氧乙烷、用CuCl₂/PdCl₂ 催化生成 CH₃CHO

A.豆科植物固氮過程中，固氮酶能提高該反應的活化能B. C₂H₄ 與 0₂ 反應中， Ag 催化能提高生成CH₃CHO 的選擇性C. H₂O₂ 制 0₂ 的反應中， MnO₂ 能加快化學反應速率D. SO₂ 與 0₂ 的反應中， V₂O₅ 能減小該反應的焓變

解析固氮酶能降低豆科植物固氮反應的活化能；由材料知 Ag 催化提高的是生成環氧乙烷的選擇性; MnO₂ 是 H₂O₂ 制 0₂ 反應的催化劑，加快反應速率； V₂O₅ 催化氧化 SO₂ ，不能改變反應的焓變.所以，C的說法正確.

考查內容和方向：（1）催化劑能增大反應速率的原因：參與反應改變歷程，減小反應的活化能；催化劑有選擇性.（2）催化劑不改變熱力學數據：平衡常數、平衡轉化率、平衡產率、平衡選擇性、焓變.（3）催化劑能改變動力學數據：實際轉化率、實際產率、實際選擇性等.

2.2 分析催化反應機理（歷程）

例3（2024年·北京卷題10 節選）可采用Deacon催化氧化法將工業副產物HCl制成 Cl₂ ，實現氯資源再利用.反應的熱化學方程式：

ΔH=-114.4kJ?mol^-1.

如圖2所示為該法的一種催化機理.下列說法不正確的是（ ）.

A.Y為反應物HCl，W為生成物 H₂O B.反應制得 1molCl₂ ，須投入 2molCuO

解析由圖2可知：Z和Y為“進”循環的物質，是反應物；X和W為“出”循環的物質，是生成物；由箭頭所示方向根據元素守恒推得Z和Y分別為 0₂ 和HCl，X和W分別為 Cl₂ 和 H₂O ;循環中的物質為催化劑及中間產物. CuO 在反應中作催化劑，會不斷循環，適量即可.所以，B選項的說法不正確.

例4（2024年·江蘇卷題17節選）反應 H₂+ 可用于儲氫.使用含氨基物質（化學式為 CN-NH₂ ，CN是一種碳衍生材料）聯合 Pd-Au 催化劑儲氫，可能機理如圖3所示.用重氫氣（ ）代替 H₂ ，通過檢測是否存在（填化學式）確認反應過程中的加氫方式.

解析由圖3可知，步驟Ⅱ中的斷鍵過程為：吸附于 Au 表面的 HCO₃^- 中C與羥基氧之間的共價鍵斷裂，- NH₂ 中一根N-H鍵斷裂， H₂ 斷鍵形成H吸附于Pd表面；成鍵過程為：羥基與H結合成 H₂O，C 與亞氨基之間成鍵.步驟Ⅲ中的斷鍵過程為：C與亞氨基之間斷鍵；成鍵過程為：吸附于Pd表面的兩個H分別與C、N成鍵，形成 HCOO^- 和- NH₂ .通過對步驟Ⅱ、Ⅲ中成鍵和斷鍵的分析，可檢測是否存在 DCOO^- 、CN-NHD來確認加氫方式.

考查內容和方向：（1）催化反應循環機理圖：“進”循環的是反應物，“出”循環的是生成物，循環中的為催化劑及中間產物，由箭頭所示方向根據元素守恒推斷各物質.（2）催化反應微觀機理圖：分析每個步驟中斷鍵和成鍵的位置.

2.3 討論催化反應工業生產條件的選擇和優化

例5（2021年·江蘇卷題14節選） NH₃ 與 0₂ 作用分別生成 N₂、NO、N₂O 的反應均為放熱反應.工業尾氣中的 NH₃ 可通過催化氧化為 N₂ 除去.將一定比例 NH₃?O₂ 和 N₂ 的混合氣體以一定流速通過裝有催化劑的反應管， NH₃ 的轉化率、 N₂ 的選擇性 與溫度的關系如圖4所示.下列說法正確的是（ ）.C.催化氧化除去尾氣中的 NH₃ 應選擇反應溫度高于 250°C D.高效除去尾氣中的 NH₃ ，需研發低溫下 NH₃ 轉化率高和 N₂ 選擇性高的催化劑.

解析 溫度高于 250‰ 時， NH₃ 轉化率接近100% ， N₂ 選擇性快速下降，導致產物中氮氧化物含量增大，所以應選擇 NH₃ 轉化率和 N₂ 選擇性都較高的溫度或研發低溫下 NH₃ 轉化率高和N₂ 選擇性高的催化劑.所以，D選項的說法正確.

考查內容和方向：工業生產中，低耗高產的要求可通過選擇高效催化劑來實現.高效催化劑應滿足在盡可能溫度低的條件下使原料有高轉化率、目標產物有高選擇性和高產率.

2.4 解釋實際的催化反應問題

例6（2023年·江蘇卷題14節選）將一定物質的量濃度的 N0…0₂…NH₃ （其余為 N₂ ）氣體勻速通過裝有 V₂O₅-WO₃/TiO₂ 催化劑的反應器，測得 NO的轉化率隨溫度的變化如圖5所示.反應溫度在320～360^°C 范圍內，NO轉化率隨溫度變化不明顯的原因是 ;反應溫度高于 380^°C ，NO 轉化率下降，除因為進入反應器的NO被還原的量減少外，還有 （用化學方程式表示）.

解析圖5中不同溫度范圍內 NO 轉化率的變化趨勢及原因：低于 150°C ，催化劑活性低，溫度升高使NO去除反應速率緩慢上升； 150～300^°C ，催化劑活性隨溫度升高增大與溫度升高共同使NO去除反應速率迅速上升； 320～360^°C ，催化劑的活性變化不大，NO去除反應速率與NO生成反應速率都隨溫度升高而增大，對NO轉化率的影響相互抵消，所以變化不明顯；高于 380°C ，催化劑活性降低，NO去除反應速率快速下降，NO去除量減少，同時氨催化氧化生成NO，所以快速下降.

考查內容和方向：（1）影響催化劑活性的因素：自身成分、合成方法，催化反應時的溫度、壓強等條件.（2）催化劑活性對反應速率的影響超過濃度、溫度、壓強等因素的影響.

3 結束語

高考對催化劑的考查緊密圍繞課程標準的要求，從多個維度進行深入考查.通過對高考試題的分析可以發現，理解催化劑基本概念、分析催化反應機理、討論工業生產條件的選擇和優化以及解釋實際的催化反應問題等方面，成為考查的重點內容和主要方向.

參考文獻：

[1］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]王磊，陳光巨.普通高中教科書·選擇性必修1化學反應原理[M].濟南：山東科學技術出版社，2022.

[責任編輯：孫美齊]