大概念统领下催化剂考查解题模型的构建

【摘要】本文以近几年高考真题中催化剂的考查为例，从解答这类题型的必备知识入手，分析此类题型的特点和解题技巧，对相关必备知识的内在联系和规律进行归纳和提炼，形成学科大概念，进而以大概念为统领构建该类题型的解题模型。

【关键词】大概念 高考真题 催化剂 审题模型 解题模型

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2023）05-0076-04

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》对催化剂的学习提出了新的要求，要求学生在催化剂的学习中了解催化剂可以改变化学反应的历程，认识催化剂在调控化学反应速率、反应效率、工业生产等方面的重要意义。近几年催化剂的考查也成为高考的高频考点，高考试题主要从催化剂对反应历程、活化能、反应速率、反应效率、工业生产的影响等角度进行考查，通常以最新的科研成果或社会热点问题为切入点，让学生分析陌生情境中的图像、图表、反应效率、转化率、产率等问题，重点考查学生解决陌生情境下真实化学问题的能力。这类试题具有一定的难度，学生需要对催化剂相关知识点及其内在联系和规律进行提炼概括，形成学科大概念，在大概念的统领下结合具体情境进行分析，从而构建该类题型的解题模型。本文以近几年高考真题中涉及催化剂的考题为例，分析催化剂常见的考查方向和解题需要掌握的必备知识，引导学生提炼概括相关必备知识的内在联系和规律，形成学科大概念，进而在学科大概念统领下构建常见考查方向的解题模型。

一、催化剂循环催化机理的考查及其解题模型

对催化剂的认知，大部分学生只停留在单纯的概念辨识层面，只知道催化剂在化学反应前后的性质和质量没有发生变化，不能从理论上理解催化剂改变化学反应过程的实质，容易走入催化剂不参与反应的认知误区。而催化剂改变化学反应历程的一个重要原因是参与反应生成需要更低活化能的中间体，中间体再参与反应生成催化剂。催化剂改变反应历程实际上是经历了参与和生成两个过程，即催化剂的循环催化机理。近几年在某些省份的高考真题中，催化剂的循环催化机理成了高频考点，考查催化剂的循环催化机理通常涉及陌生方程式的书写、陌生产物的判断等，情境较为复杂且物质较为陌生，学生需提炼概括催化剂循环催化工作机理后，结合具体情境进行分析，才能解决真实情境中的化学问题。因此，在高考备考复习中，教师有必要引导学生了解催化剂改变反应历程的实质，让学生从化学反应历程能量变化出发，认识催化剂工作的原理是先参与反应生成中间体或者过渡态，中间体或过渡态再参与反应生成催化剂。在学生全面认识催化剂工作原理后，教师要引导学生提炼催化剂在改变反应历程的过程中一般经历以催化剂参与反应为起点、以催化剂生成为终点的循环催化机理学科大概念，学生在循环催化机理学科大概念的统领下，结合真实情境分析解决陌生情境下真实的化学问题。

例1（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，过程如图1所示：

（3）I-是水溶液中SO2歧化反应的催化剂，其催化过程可能发生了如下两步反应，请将其补充完整。

i. SO2+4I-+4H+[       ]S↓+2I2+2H2O

ii.                 。

解析：对催化剂循环催化机理的考查，学生只要在循环催化机理学科大概念的统领下结合真实情境进行分析，便可快速找到解决问题的切入点。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，从中可知每一步反应的主要反应物和生成物，教师引导学生基于陌生方程式的书写模型（第一步：抄，即根据信息分析抄写主要反应和生成物；第二步：平，即根据价态变化配氧化剂、还原剂和氧化产物、还原产物的系数；第三步：补，即根据环境、电荷守恒和质量守恒补相应的离子和分子；第四步：查，检查得失电子、电荷、质量是否守恒）即可书写相关方程式或者判断主要产物。由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，最后根据陌生方程式书写模型书写反应方程式。

第一步：抄，即根据信息分析抄写主要反应物和生成物I2+SO2[        ][SO2-4]+I-；第二步：平，即根据得失电子守恒配氧化剂、还原剂和氧化产物、还原产物的系数，可得主要反应物和生成物的系数为I2+SO2—[SO2-4]+2I-；第三步：补，根据环境及电荷守恒可知需在方程式右边补4个H+，再根据氢原子个数守恒在方程式左边补2个水分子，即可得反应ii的方程式为[I2]+SO2+2H2O[        ][SO2-4]+2I-+4H+；第四步：查，检查得失电子、电荷、质量是否守恒。

由例1分析可知，在催化剂循环催化机理的考查中，学生只要具备循环催化机理经历的历程和陌生方程式书写模型学科大概念，整合、提取题目提供的信息，便可构建此类题型的解题模型：明确第一步为催化劑参与和中间产物生成的反应，第二步为中间产物参与和催化剂生成的反应→结合情境和氧化还原反应原理分析每步反应的主要反应物和生成物→根据陌生方程式书写模型书写相关反应方程式或判断主要产物。

二、催化剂与能量变化、反应速率、平衡移动关系的考查及其解题模型

在催化剂与能量变化、反应速率、平衡移动关系的考查中，高考试题通常融入最新的科技成果或社会热点问题，让学生结合情境分析催化剂对化学反应速率、反应效率等的影响，试题通常以选择、计算、作图等形式呈现，情境有时较为陌生，学生如果没有总结提炼催化剂能够引起的变化和不能引起的变化，在解决真实情境中的化学问题就存在一定的困难。解决此类问题的关键在于分析催化剂与化学反应能量变化、化学反应速率、化学平衡移动的关系，总结提炼催化剂能够引起的变化和不能引起的变化学科大概念。因此在高考备考复习时，教师在引导学生认识催化剂与化学反应能量变化、化学反应速率、化学平衡移动关系的基础上，要重点总结提炼催化剂能引起的变化：降低反应的活化能、加快反应速率、缩短反应时间、提高单位时间内转化率；催化剂不能引起的变化：不能改变反应热、平衡转化率、化学平衡常数、平衡移动。在陌生的情境中，学生只要基于这些学科大概念分析具体真实的化学问题，便可构建该类题型的解题模型。

例2（2016年浙江卷节选改编） 科学研究表明催化还原CO2是解决温室效应和能源问题的一种非常重要的手段。研究发现，CO2和H2可在Cu/ZnO催化剂催化下发生如下两个平行反应：

（2）下列措施可提高反应I中CO2的平衡转化率的是_______。

A.使用催化剂Cat.1

B.使用催化剂Cat.2

C.升高反应体系的温度

D.保持投料比，增大压强

E.降低CO2和H2的初始投料比

解析：学生仅从表格的数据很容易对选项A和选项B进行错误分析，由表格数据学生直观看到在两种催化剂催化下CO2的转化率和甲醇选择性不同，便误认为催化剂Cat.1和催化剂Cat.2对平衡转化率有影响。我们仔细分析表格中的数据便可以发现，表格中CO2的转化率和甲醇选择性仅为相同压强和反应时间下的转化率和甲醇选择性，未说明为达到平衡时的转化率，学生如果已构建了催化剂能够引起的变化和不能引起的变化学科大概念，明确催化剂只能改变单位时间内转化率，不能改变平衡转化率，便可得知由表格数据只能说明在两种催化剂催化下CO2的单位时间内转化率不同，但是题目要求的是平衡转化率，因此便可得知无论是催化剂Cat.1还是催化剂Cat.2对平衡转化率都无影响，由此可走出误区，然后再从平衡移动的影响因素分析可知D、E选项都有利于平衡转化率的提高，可得出正确答案为D、E。

基于例2分析，对在工业生产、最新研究成果中考查催化剂与化学反应能量变化、化学反应速率、化学平衡移动的关系，学生只要紧紧围绕催化剂能引起的变化和不能引起的变化学科大概念，结合情境分析，便可构建该类题型的解题模型：抓住情境中的具体数据→围绕催化剂能引起的变化和不能引起的变化学科大概念→结合情境和选项分析→得出正确答案。

三、催化剂活性及其影响因素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效果及催化能力。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，在高考备考复习中我们要引导学生能够正确认识催化剂的活性与温度等外界条件的关系，通过拓展影响催化剂活性的因素，师生一起总结提炼要领：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。教师进而引导学生提炼概括解题思路：事物的发展一般会存在最佳条件，从分析最佳条件入手，便可更好地解决真实情境中的化学问题，从而在高三复习中促进学科核心素养的发展。

例3（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，如何去除大气中氮的氧化物（NOx）是环境保护的重要课题。

（4）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。

②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，装置如图2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图3所示，在50℃—250℃范围内随着温度的升高，氮的氧化物（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：此类题为由果导因题型，情境较为复杂，学生接触题目后无法第一时间找到切入点，在解题过程中会感到迷惘。对此类题型，教师要引导学生总结提炼方法。在外界条件改变的情况下，一般从分析化学反应速率、化学平衡移动、副反应、催化剂的活性等如何改变入手，哪个物理量变化与情境的变化一致，那么变化的那个物理量即为所要分析的原因。因此，在此题的解答中，学生主要抓住这个学科大概念，围绕温度改变催化剂的活性、化学平衡移动的变化，再结合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。

在涉及催化剂活性的考查中，学生要基于由果导因题型的思考方向，再结合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明确具体哪个条件发生改变→分析外界条件改变后催化剂活性、化学反应速率、化学平衡移动如何改变→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。

四、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，近几年在某些省份的高考题中，通常让学生结合实验数据对催化剂的催化效果进行比较或者对反应的催化剂进行选择，因此在高考备考复习中有必要让学生了解化学反应速率、化学平衡与化工生产的关系，让学生认识化工生产需要考虑成本、速率、产率等多重因素，总结提炼化工生产条件控制学科大概念，让学生基于学科大概念结合真实情境进行分析，从化学反应速率、单位时间转化率、抑制副反应等角度分析催化剂的选择或者催化效果优劣的比较。

例4（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：

（2）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。相关数据如表2所示：

①由上表数据分析催化剂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，其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。

由此可见，在催化剂的选择或者催化剂催化效果的比较问题上，学生要基于催化劑对化学反应速率快、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年浙江卷节选改编） 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：

CO2（g）+3H2（g）[]CH3OH（g）+H2O（g）

ΔH1=-53.7 kJ·mol-1 Ⅰ

CO2（g）+H2（g）[]CO（g）+H2O（g）

ΔH2        Ⅱ

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进行的实验数据如表3所示：

备注：催化剂Cat.1：Cu/ZnO纳米棒；催化剂Cat.2：Cu/ZnO纳米片；甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醇的百分比

（4）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“化学反应过程—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，基于此学生可以画出如图4所示的“化学反应过程—能量”示意图。

随着新课改的深入推进，高考对催化剂的考查也由原来单纯的概念辨识向定性、定量分析转变，向宏观辨识、微观探析转变，注重化学核心素养培养的真正落地。因此，在高考备考复习过程中要充分梳理催化剂概念的内涵和外延，引导学生构建知识体系，指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，形成解决陌生情境下真实化学问题的模型，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］.教学考试，2017（5）.

［2］陈晓雷.高考“明星”考点：催化剂［J］.理科考试研究，2018（23）.

［3］周伟华.催化剂在高考试题中的考查［J］.中学化学，2018（12）.

［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）.

作者简介：苏宏岩（1988— ），广西大化人，高级教师，主要研究方向為高中化学教学。

（责编 林 剑）