催化机理在近五年高考试题中的考查研究

周小秀 刘陈香 钟辉生

（1.赣州市第三中学 江西 赣州 341000；2.赣州中学 江西 赣 州 341000；3.赣州市教育教学科学研究所 江西 赣州 341000）

一、问题提出

催化剂号称“工业味精”，是改变化学反应速率最有效的手段之一，据统计有90%以上的化学工业都使用了催化剂，使用催化剂可以带来巨大的经济效益。［1］催化剂改变了反应历程，改变了反应速率。对反应历程的研究要追溯到两位伟大的化学家西里尔·欣谢尔伍德（Cyril Norman Hinshelwood）和尼古拉·谢苗诺夫（Nikolay Nikolaevich Semyonov）。他们提出一个看似非常简单的反应，如氢气与氧气反应生成水，实际上发生了复杂的链反应。他们开创了对化学反应机理的研究，并于1956年成功获得了诺贝尔化学奖，其研究为有机和无机化学开辟了广阔的新途径。在研究反应机理中作出巨大贡献的还有一位伟大的化学家艾哈迈德·泽维尔（A.H.Zewail），他第一个揭示了化学反应转折点——化学键的断裂和形成时刻，其“用飞秒光学对化学反应过渡态的研究”获得了1999年诺贝尔化学奖，相关素材已嵌入到新课标人教版、苏教版和鲁科版教材中。［2-4］使用Zewail的技术可以更深入地研究反应机制，即催化过程，这有助于实现化学梦想:控制反应的过程。正是有了他们对反应机理和过渡态的研究基础，随后涌现出一大批在催化剂领域的创新研究成果，其中在“不对称催化”方面的创新研究被两次授予了诺贝尔化学奖（2001 年和2021 年）。2022 年1 月，我国云南大学柳清菊教授的合作团队发表了最强光催化剂分解水制氢的研究成果［5］。

二、催化剂素材在教材中的体现

《普通高中化学课程标准（2003 年版）》（简称“旧课标”）对催化剂的认知要求较低，停留在宏观表征方面，即催化剂的使用降低了活化能，进而提升了反应速率。《普通高中化学课程标准（2017 年版）》（以下简称“新课标”），增设了反应机理的微观视角，拓宽了学生的视野，为深入理解催化机理奠定基础。新旧课标有关催化剂要求对比详见表1。

表1 催化剂教学要求在新旧课标中的对比

现行各版本新教材（2019 年版）有关反应机理的素材非常丰富，其中鲁科版以氢气与氧气反应为例，教材明确指出反应约经历了12步反应才能完成。不同版本教材中反应机理教学素材详见表2。

表2 不同版本新教材有关反应机理的素材

新课有关催化剂的要求既完善了学生的认知视角，又丰富了学生的科学视野，也有助于培养学生科学探究的创新精神，落实学科核心素养。教学实践过程中我们要充分挖掘催化剂素材背后的育人价值。

三、近五年高考试题中的催化剂素材

新型催化剂的开发和催化机理的研究成了当前热点，催化剂前沿的科研成果成了高考命题专家青睐的命题素材，以我国科技工作者的科研成果为素材还可增强学生的科技自信和文化自信。［9］催化剂素材吻合了新课标倡导的基于真实情境为测试载体的试题命制原则，在真实情境中测试学生的学科核心素养。［10］自2018年起，催化剂素材广泛出现在高考试题中，其信息呈现方式及社会价值见表3。

表3 2018-2022年高考试题中的催化剂信息呈现方式及社会价值

从表3可清晰看出，催化机理素材自2018年出现在高考试题后，考查呈逐年递增的趋势，其中尤为突出的是2021年。深入研究发现，2018、2019年有三份试题涉及催化剂素材，但仅有一份呈现了反应历程图。2020 年此类素材重点以经典的催化循环机理图的形式呈现，2021年催化机理素材迅速发展为当年高频热点题型，在六份试题中均有考查。2022年依然延续催化循环机理热点题型，有三份试题涉及。

四、催化剂素材的热点题型及复习策略

1.抽提信息呈现方式，剖析信息内涵

2018年北京卷首次出现了催化机理（见例1）。其图像呈现了相关物质结构参与催化过程的示意图，图像融合了物质结构变化及能量变化的双重信息，而对催化剂参与过程仅图示了“催化剂”“过渡态”等信息，未呈现催化剂的具体结构及其反应历程。例1是对催化剂素材考查的开创性尝试，后期逐渐丰富完善。由表3统计发现，此类素材有两种经典的信息呈现方式:催化剂参与循环的机理图和反应历程图。其中2021年湖南试题同时呈现了两大信息（见例2）。

例1.【2018 年北京卷第7 题】我国科研人员提出了由CO2和CH4转化为高附加值产品CH3COOH 的催化反应历程。该历程如图所示（见图1）。下列说法不正确的是（）。

A.生成CH3COOH总反应的原子利用率为100%

B.CH4→CH3COOH过程中，有C-H键发生断裂

C.①→②放出能量并形成了C-C键

D.该催化剂可有效提高反应物的平衡转化率

例2.【2021 年湖南卷第14 题】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所示（见图2），下列说法错误是（）。

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

对表3相关试题（共19套）进行统计分析，得出两种信息呈现方式出现频次（详见表4）。

表4 2018-2022年试题中两种信息的考查频次

2.聚焦设问角度，建构思维模型

由表4可知，此类试题蕴含丰富的素养，为全国各地高频热点题型，在复习备考中该如何破解此类题型，实施精准教学呢？我们要着力研究试题的设问特点并提炼思维模型。

（1）反应历程图

例3.【2019年全国Ⅰ卷第28题，节选】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3所示，其中吸附在金催化剂表面上的物种用*标注。

图3 水煤气变换反应历程示意图

可知水煤气变换的ΔH____0（填“大于”“等于”或“小于”），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____________________。

例，其反应历程的认知模型如图4所示。结合相关物质的相对能量，进而绘制出反应历程图。图中信息主要追踪了历程中的化学物种（分子、自由基等）的形态变化及能量变化，试题一般设问模式为:宏观表征总反应的焓变、过程中的决速步（或最大能垒），微观推导某步骤反应等。注意解读历程中由物质吸附或脱附所带来的能量变化，相关步骤甚至有可能是总反应的决速步，如在新课标鲁科版在介绍合成氨的催化历程中明确提出:第一步（氮的吸附分解）所需活化能最高，是控制反应的关键步骤。［11］

图4 反应历程的认知模型

（2）催化循环机理图

由例2可知，此类试题的构建模式为:以某配合物催化剂参与整个循环过程机理图的方式呈现，图中侧重体现配合物催化剂结构变化及过程中的反应物、生成物、中间体等相关信息。对表2 中7 份相关试题进行深度剖析，结合新课程标准，归纳出其设问模式及对应考查的素养水平（见表5）。

表5 常见设问角度及素养水平

对于设问（1）至（4）较基础，素养水平较低，仔细审题即可破解；相对较复杂的设问（6），要点在于建构理解的思维模型，现以2020年江苏第20题为例（例4）进行思维建模。

例4.【2020 年江苏第20 题，节选】HCOOH 催化释氢。在催化剂作用下，HCOOH 分解生成CO2和H2可能的反应机理如图5所示。

图5 催化HCOOH分解制H2机理

图6 催化HCOOH分解制H2思维模型

①HCOOD 催化释氢反应除生成CO2外，还生成_____（填化学式）。

②研究发现:其他条件不变时，以HCOOK 溶液代替HCOOH 催化释氢的效果更佳，其具体优点是__________________________。

模型建构如下:

思维模型建构过程要关注转化历程中相关粒子所带电荷，阴离子（如HCOO-、H-）能对中心原子（或离子）进行配位，过程中的H+（提供空轨道）与提供电子对的原子（如上题中的N 原子）形成配位键。科学家对不同催化剂催化HCOOH 分解制H2的研究特别多，此素材在2021年湖南试题中有非常经典的呈现。

五、结语

催化剂技术的更新对人类发展贡献巨大，创造了巨大的经济价值，尤其是在环境保护和新能源开发方面显示出独特的价值。催化剂的研究与开发成了当前化学研究的热点，成果不断涌现。与旧课标相比，新课标增加对催化剂微观机理的要求。选择催化剂领域的最新研究成果作为高考试题的情境素材，既能彰显化学学习的价值追求，启发学生的创新思维，又能培养学生的创新精神、厚植学生的责任意识。

在备考中我们要秉承“试题聚焦的是素养，变化的是情境，不变的是知识”的原则，深刻理解催化过程中的反应历程和循环催化机理，建构认知模型，不断提升学生对催化剂的学科理解水平。