浅谈从“必备知识”和“关键能力”构建催化剂的考查解题模型

苏宏岩

【摘要】  本文以近几年高考真题中催化剂的考查为例，分析该类题型的特点及解题技巧，从解该类题型的必备知识出发，分析解该类题型需要学生具备的关键能力，构建该类题型的解题模型。

【关键词】  必备知识 关键能力 审题模型 解题模型

【中图分类号】  G633.8               【文献标识码】  A     【文章编号】  1992-7711（2020）25-062-02

本文以近几年高考真题中涉及催化剂的考查为例，分析催化剂常见的考查方向，解题需要学生掌握的必备知识和具备的关键能力，构建常见考查方向的解题模型，以期帮助广大同行构筑催化剂的考查解题模型。

一、催化剂循环机理的考查及其解题模型

近几年在有些省份的高考真题中，催化剂的循环机理成为了高频考点，考查循环催化剂机理过程中涉及方程式的书写、主要产物的判断等。

例：（2018年北京卷节选改编）近年来有研究人员提出利用含硫物质的循环实现太阳能的转化与存储，过程如下：

解析：对于催化剂循环催化机理的考查，学生只要基于循环机理的特点进行分析，即第一步反应是催化剂参与和中间产物生成的反应，第二步反应是中间产物参与和催化剂生成的反应，便可得知每一步反应的主要反应物和生成物。

因此可知第一步反应为催化剂I-参与和中间产物I2生成的反应，第二步则是中间产物I2参与和催化剂I-生成的反应，再结合情境可知该反应为SO2的歧化反应，因此反应ii的反应物还有SO2，由氧化还原反应原理可知生成物还有H2SO4，最后根据缺项配平的思路即可写出方程式：I2+2H2O+SO2=4H++SO42-+2I-。

可构建此类题型的解题模型：明确第一步为催化剂参与，第二步为催化剂生成→结合情境和氧化還原反应原理分析每步反应的主要反应物和生成物→根据缺项配平思路书写方程式或判断产物。

二、催化剂活性的考查及其解题模型

催化剂的活性是指催化剂对化学反应的催化能力。通常在高考题中，催化剂活性的考查主要通过实验数据或者图像等形式呈现，让学生根据数据等分析催化剂的活性随外界条件改变而呈现的变化。因此学生要能够正确认识催化剂的活性与温度等外界条件的关系，一般情况下催化剂的活性在一定温度范围内最大，温度过低催化剂的活性低，温度过高，催化剂可能会失去活性，学生只要基于这个必备知识，便可以对实验温度等作出选择或者正确分析。

例：（2018年江苏卷节选改编）NO和NO2等氮的氧化物（NOx）是大气主要污染物之一，去除大气中氮的氧化物（NOx）是环境保护的重要课题。

在一定条件下，NH3和NOx在新型催化剂M的催化下反应生成N2。

现将O2、NH3和NOx按一定比例混合后，通入装有催化剂M的反应器中反应，装置如下图所示。

反应在单位时间内氮的氧化物（NOx）的去除率随温度的变化曲线如下图所示，在50-250℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率先迅速上升的主要原因是__________________________________，随后上升缓慢的主要原因是________________________________________________________。

解析：此题学生只要基于催化剂的活性与温度的关系进行分析，便可得知刚开始随着温度的升高，催化剂的活性增大，且随着温度升高，平衡右移，因此随着温度升高NOx的去除率迅速增大;而当温度过高时，催化剂的活性降低，但平衡依然向右移动，故NOx的去除率上升缓慢。

因此在涉及催化剂活性的考查中，学生需基于催化剂活性与温度的关系，构建该类题型的解题模型：根据实验数据或图像变化→分析催化剂的活性温度范围→选择反应温度或进行理论分析。

三、催化剂的选择、催化效果比较的考查及其解题模型

不同的催化剂对反应催化能力是不一样的，近几年在有些省份的高考题中，通常让学生结合实验数据对催化剂催化效果进行比较或者对反应的催化剂进行选择，因此在复习中有必要让学生认识化学反应速率与生产的关系，在催化剂的选择或者催化效果的比较中，学生要基于化学反应速率、单位时间转化率、抑制副反应等角度进行分析。

例：（2018新课标Ⅱ卷节选改编）CH4-CO2催化重整不仅对温室气体的减排具有重要意义，还可以得到CO和H2，请回答下列问题：

反应中存在的消碳反应和积碳反应，而催化剂的活性会因积碳反应而降低。相关数据如下表：

由该表数据分析催化剂X_______Y（填“优于”或“劣于”），理由是____________________________。

解析：催化剂的活性受积碳反应影响，因此关键点在于分析积碳反应和消碳反应的有利条件，根据表格数据分析可知在催化剂X作用下，积碳反应的活化能低，而消碳反应的活化能高，因此更有利于积碳反应的进行，故催化剂的活动性会降低。学生基于这样分析便可得知催化剂X劣于催化剂Y.

因此在催化剂的选择或者催化剂催化效果的比较问题上，学生要基于催化剂对化学反应速率快、单位时间转化率高、抑制副反应等角度进行分析，构建该类题型的解题模型：反应速率快（单位时间内转化率高）/抑制副反应→活化能小→催化剂催化效果好。

变式训练（2016年浙江高考节选改编）解决温室效应和能源问题的重要手段是催化还原CO2.研究表明，CO2和H2可在Cu/ZnO催化剂存在下发生如下两个平行反应：

某实验室控制在相同压强、相同反应时间下，按CO2和H2初始投料比为1∶2.2进行的实验数据如下表所示：

请画出反应Ⅰ在有催化剂Cat.1和有催化剂Cat.2、无催化剂三种情况下“反应过程——能量”示意图。

解析：由实验数据可知，在催化剂Cat.2的催化下，甲醇的选择性高，即反应I单位时间内CO2的转化率高，因此可知催化剂Cat.2的催化效果比催化剂Cat.1好，反应的活化能小，基于此可以画出如下“化学反应过程——能量”示意图。

随着新课程改革的深入推进，高考对催化剂的考查也由原来简单的概念辨识转变为定性、定量分析，转变为宏观辨识和微观探析化，注重化学核心素养的真正落地，因此在复习的过程中，我们要充分梳理催化剂概念的内涵和外延，引导学生基于催化剂循环催化机理以及催化剂对化学反应影响的结果，构建知识体系，形成解题模型，提高学生解决陌生情境下真实化学问题的能力。

[ 参  考  文  献 ]

[1]卢敬萱.2016年高考“明星”考点—催化剂[J].试题研究，2016，（24）：31-33.

[2]陈晓雷.高考“明星”考点—催化剂[J].理科考试研究综合版，2018，（12）：53-55.

[3]周伟华.催化剂在高考试题中的考查[J].中学化学，2018，（12）：46-49.

[4]尹沧浪.基于真实情境下催化剂考查形式的多维分析[J].中学化学教学参考，2018，（5）：65-66.