深度理解《课程标准》，精准把握备考方向——以2021年高考中催化剂的考查为例

河北 晏富强 文玉玲

2020年以后的高考化学试题是依据《普通高中化学课程标准(2017年版2020年修订)》(以下简称《课程标准》)学业要求进行命题，与曾经的高考考试大纲对比发现，对催化剂的考查要求有很大的改变，《普通高中化学课程标准(实验)版》高考考试大纲(2019年)要求的是了解反应活化能的概念，了解催化剂的重要作用；《课程标准》学业要求的是通过实验探究，了解温度、浓度、压强和催化剂对化学反应速率的影响。知道化学反应是有历程的，认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。催化剂在现代化学工业中有极其重要的作用，近年的高考题都比较注重化学问题的情境设置，强调了化学与社会发展的重要联系，催化剂在高考中由边缘知识逐步变为重要考点，特别是2021年高考多道高考题对此进行了考查，其考查的知识面广，对考生的要求能力高。教师通过分析这些高考题启发学生深度思考，不仅可以夯实学生必备知识形成关键能力，还能提高学生化学学科核心素养。

一、从教材概念了解催化剂

在初中教材上催化剂是“在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质”。

在苏教版高中化学教材对催化剂有如下描述：“催化剂对化学反应速率有显著影响，是通过降低反应所需的活化能来增大反应速率的。”由此可知催化剂只改变了反应的途径没有改变反应的热效应。在可逆反应中催化剂可以改变化学反应速率但不会使平衡移动。催化剂是通过降低反应所需的活化能来增大反应速率的。没有催化剂的反应，活化能较大，则反应速率较小；而有催化剂参与的反应，活化能较小，则反应速率较大。

【例1】(2021·广东省选择性考试·19节选)一定条件下，CH4分解形成碳的反应历程如图1所示。该历程分________步进行，其中，第________步的正反应活化能最大。

图1

【参考答案】4；4

【解析】由图1可知，反应过程中能量变化出现了4个峰，即有4个过渡态出现了4次活化能，经历了4步反应；且从左往右看4次活化能吸收中，第4次对应的峰最高，即正反应方向第4步吸收的能量最多，对应的正反应活化能最大，活化能较大反应速率慢。

教师要让学生深度理解概念就需要让学生知道概念形成的理论依据，从反应历程和活化能的角度深度思考催化剂催化的机理，加深学生对催化剂的理解。

二、从反应历程认识催化剂和中间产物

《课程标准》学业要求学生要知道化学反应是有历程的，认识到催化剂(正催化剂)本身和反应物一起参加了化学反应，降低了反应所需要的活化能；也有些催化反应是由于形成了很容易发生反应的中间产物，反应时催化剂恢复了原来的化学组成。催化反应是一个复杂反应，要经过若干基元反应才能完成，这些基元反应描述了复杂反应所经过的途径，在化学动力学上称为反应历程。催化剂只能改变反应途径而不能改变反应发生的方向。

【例2】(2021·湖南省选择性考试·14)铁的配合物离子(用[L—Fe—H]+表示)催化某反应的一种反应机理和相对能量的变化情况如图2所示：

图2

下列说法错误的是

( )

B.H+浓度过大或者过小，均导致反应速率降低

C.该催化循环中Fe元素的化合价发生了变化

D.该过程的总反应速率由Ⅱ→Ⅲ步骤决定

【参考答案】CD

【深度思考】基元反应中[L—Fe—H]+参与反应，在反应前后的质量和化学性质不变，起催化剂的作用，H+和除了[L—Fe—H]+以外的铁的化合物起中间产物的作用。怎样判断催化剂和中间产物是学生答题时存在的问题，一般来说催化剂是前面一个基元反应的反应物，是最后一个基元反应的生成物，而且反应前后的质量和化学性质不变化，可以总结为“失而复得”。中间产物是前面一个基元反应的生成物，是后面某一个基元反应的反应物，不会在总反应的生成物中出现，中间产物往往不稳定，可以把中间产物总结为“自生自灭”。在能量图中除了反应物、生成物之外所有的“峰顶”就是过渡态，所有“谷底”就是中间体；过渡态能量比较高一定不太稳定，中间体能量相对较低相对比较稳定，有一定的存在时间。

三、从基元反应活化能理解催化剂对化学反应速率的影响

《课程标准》学业要求学生认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。在苏教版高中教材对活化能是这样描述的，反应物转化为生成物的过程要经过能量较高的过渡态，过渡态的平均能量与反应物分子的平均能量的差为反应的活化能。如图3所示，Ea2是该反应无催化剂的活化能，Ea1和Ea3是该反应有催化剂后两个基元反应的活化能，Ea1逆是第一个基元反应的逆反应活化能。

图3

【例3】(2021·河北省选择性考试·16节选)在电解质水溶液中，三种不同催化剂(a、b、c)上CO2电还原为CO的反应进程中(H+电还原为H2的反应可同时发生)，相对能量变化如图4。由此判断，CO2电还原为CO从易到难的顺序为________(用a、b、c字母排序)。

(a)CO2电还原为CO

(b)H+电还原为H2

【参考答案】c、b、a

【解析】由图4可知，a催化剂条件下，H+电还原的活化能为0.27 eV，CO2电还原的活化能为0.51 eV，相比较H+电还原的活化能比CO2电还原的活化能小0.24 eV，发生H+电还原的可能性大于发生CO2电还原的可能性。b催化剂条件下，H+电还原的活化能为-0.22 eV，CO2电还原的活化能为-0.08 eV，相比较H+电还原的活化能比CO2电还原的活化能小0.14 eV，发生H+电还原的可能性大于发生CO2电还原的可能性，但和a催化剂条件下相比较，b催化剂条件下发生CO2电还原的可能性比a催化剂条件下大。c催化剂条件下，CO2电还原的活化能为0.22 eV，H+电还原的活化能为0.60 eV，更容易发生CO2的电还原。因此反应从易到难的顺序为c、b、a。

四、建构解题模型，形成关键能力

催化剂在化学工业广泛使用，将来催化剂在科学理论研究、氢能源的开发与利用，碳中和及环境的治理与保护方面都有极大的发展前景。今年高考中催化剂检测学生核心素养的功能更加突显，要求学生具备处理图像、表格等信息的能力，吸收信息能力，理解与辨析能力，基于证据进行分析、推理能力。在二轮复习中学生需依据教材和《课程标准》要求建构催化剂的知识模型，可以概括为“四能四不能”。

图5

( )

图6

A.反应Ⅱ、Ⅲ为决速步

B.反应结束后，溶液中存在18OH-

C.反应结束后，溶液中存在CH318OH

D.反应I与反应Ⅳ活化能的差值等于图示总反应的焓变

【参考答案】B

在以上必备知识的基础上，教师总结近几年高考题解题规律，发现有关催化剂的考查逐渐将定性问题变为定量化，结论性问题过程化，宏观性问题微观化等，试题通过图文、表格、流程、实验数据等多种信息呈现，注重对学生化学核心素养的考查。涉及催化剂原理的问题，可让学生形成如图7审题和思考此类题目的解题模型：

图7

【例5】[2019·全国卷Ⅰ·28(3)]我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程，如图8所示，其中吸附在金催化剂表面上的物种用*标注。

图8

可知水煤气变换的ΔH________(填“大于”“等于”或“小于”)0。该历程中最大能垒(活化能)E正=________eV，写出该步骤的化学方程式：____________________。

【解析】提取关键信息：由题中图示可知水煤气变换时反应物的总相对能量0 eV，反应后生成物的总相对能量-0.72 eV，反应为放热反应，故ΔH小于零。