曾琦茹

在高三的第一輪復(fù)習(xí)中,關(guān)于“化學(xué)反應(yīng)速率和限度”的日常學(xué)習(xí),常常會(huì)出現(xiàn)以下場(chǎng)景.

場(chǎng)景1

師問(wèn):催化劑有什么作用?

學(xué)生回答:提高化學(xué)反應(yīng)速率．

師問(wèn):催化劑是如何提高化學(xué)反應(yīng)速率的?

學(xué)生回答:催化劑能降低化學(xué)反應(yīng)的活化能．

師又問(wèn):催化劑是如何降低化學(xué)反應(yīng)的活化能的?

學(xué)生沉默……

師再問(wèn):催化劑參與反應(yīng)了嗎?

學(xué)生異口同聲:沒(méi)有．

我們可以看到,即使到了高三,學(xué)生對(duì)催化劑是否參與反應(yīng)的認(rèn)識(shí)還是模糊的,對(duì)催化劑降低反應(yīng)活化能原理的認(rèn)識(shí)更是只知其然而不知其所以然．分析造成學(xué)生多數(shù)認(rèn)為催化劑不參與反應(yīng)的原因有:1)學(xué)生在初中學(xué)習(xí)氧氣的實(shí)驗(yàn)室制法時(shí)接觸到了MnO2這種催化劑,但是初中化學(xué)教學(xué)并不討論催化劑加快化學(xué)反應(yīng)速率的原因,而是只強(qiáng)調(diào)催化劑的定義——“催化劑在反應(yīng)前后質(zhì)量和性質(zhì)沒(méi)有發(fā)生變化”和它的作用——“加快化學(xué)反應(yīng)的速率”．所以學(xué)生就根深蒂固地認(rèn)為反應(yīng)前后催化劑的質(zhì)量和性質(zhì)沒(méi)有發(fā)生變化即為“不參與反應(yīng)”．2)在高中學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)速率和限度中,兩處涉及催化劑．第一處是《必修2》第二章第三節(jié)實(shí)驗(yàn)2-6,在該實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生觀察到MnO2、FeCl3均可以提高H2O2分解的反應(yīng)速率,從而讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到催化劑不僅可以加快反應(yīng)速率,而且不同的催化劑對(duì)同一反應(yīng)的催化效果也是不同的．第二處是在《選修4》第二章第二節(jié)實(shí)驗(yàn)2-4中,該實(shí)驗(yàn)也是MnO2催化分解H2O2,但不同的是此處是在高一認(rèn)知的基礎(chǔ)上,通過(guò)MnO2能加快H2O2的分解速率,進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)催化劑之所以能加快反應(yīng)速率,是因?yàn)樗芨淖兎磻?yīng)的路徑,使發(fā)生反應(yīng)所需的活化能降低．而在此,學(xué)生能認(rèn)識(shí)到的是催化劑能改變反應(yīng)的途徑——降低活化能,但為什么能降低活化能卻沒(méi)有深究，因此導(dǎo)致學(xué)生對(duì)催化劑的認(rèn)識(shí)較為膚淺．在高等教育出版社出版的大學(xué)《無(wú)機(jī)化學(xué)》中引入了過(guò)渡態(tài)理論．過(guò)渡態(tài)理論認(rèn)為,化學(xué)反應(yīng)并不是通過(guò)反應(yīng)物分子的簡(jiǎn)單碰撞就能完成的,而是從反應(yīng)物到生成物的過(guò)程中經(jīng)過(guò)一種高能量的過(guò)渡態(tài),處于過(guò)渡態(tài)的分子叫活化絡(luò)合物．活化絡(luò)合物是一種高能量的不穩(wěn)定的反應(yīng)物原子組合體,它能較快地分解為新的能量較低、較穩(wěn)定的生成物．過(guò)渡態(tài)理論認(rèn)為,催化劑加快反應(yīng)速率的原因是形成了反應(yīng)的途徑,對(duì)大多數(shù)反應(yīng)而言,主要是形成了活化絡(luò)合物而降低了活化能．在高考題中對(duì)這一理論也有很好的體現(xiàn)．

例如，2018年北京卷選擇題第二題中涉及我國(guó)科研人員提出的由CO2和CH4轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品CH3COOH的催化反應(yīng)歷程．該歷程示意圖如下．

圖1

在該題目中,通過(guò)催化反應(yīng)歷程的示意圖,可以看出CH4和CO2并不是直接反應(yīng)就生成了CH3COOH,而是CH4先在催化劑表面上斷鍵形成—CH3和活性H原子,再由—CH3與CO2形成過(guò)渡態(tài)物質(zhì),最后過(guò)渡態(tài)物質(zhì)奪走附著在催化劑上的H原子形成CH3COOH,整個(gè)過(guò)程中催化劑并沒(méi)有改變組成、結(jié)構(gòu),但參與了生成過(guò)渡態(tài)物質(zhì)的反應(yīng)．

場(chǎng)景2

師問(wèn):催化劑能提高化學(xué)反應(yīng)速率,也能提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率嗎?

學(xué)生回答:不能.

師問(wèn):催化劑不能提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率,那么能改變產(chǎn)物的產(chǎn)率嗎?

學(xué)生回答:能.

師追問(wèn):轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率是一致的嗎?轉(zhuǎn)化率不變則產(chǎn)率也不變嗎?

學(xué)生靜默……

學(xué)生通過(guò)前面的學(xué)習(xí),基本上知道了催化劑是如何改變化學(xué)反應(yīng)速率的，但是對(duì)于催化劑能否改變反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和生成物的產(chǎn)率,是學(xué)生認(rèn)識(shí)的另一盲區(qū)．學(xué)生在初中就知道催化劑具有“專一性、高效性、選擇性”等性質(zhì),“專一性”是指一種催化劑的催化作用只對(duì)某個(gè)或某些反應(yīng)有效,“高效性”是指催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響是非常顯著的,但對(duì)催化劑的“選擇性”認(rèn)識(shí)卻不甚了解．通過(guò)查閱文獻(xiàn),在高中階段認(rèn)識(shí)到的催化劑一般是多相催化,即氣體反應(yīng)物吸附在催化劑載體上使反應(yīng)物分子活化,降低反應(yīng)的活化能,從而提高反應(yīng)速率．高中階段一般認(rèn)為催化劑只改變反應(yīng)速率,而不改變轉(zhuǎn)化率．但對(duì)于在給定條件下,反應(yīng)物之間能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)反應(yīng)時(shí),則催化劑可體現(xiàn)它的選擇性．選擇合適的催化劑可以抑制副反應(yīng)的進(jìn)行,大幅度提高目標(biāo)產(chǎn)物在最終產(chǎn)物中的含量,即目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率．

例如，2019年江蘇卷第20題：CO2催化加氫合成二甲醚是一種CO2轉(zhuǎn)化方法,其過(guò)程中主要發(fā)生下列反應(yīng):

反應(yīng)Ⅰ:CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.2kJ·mol-1.

反應(yīng)Ⅱ:2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(g)ΔH=-122.5kJ·mol-1.

在恒壓、CO2和H2的起始量一定的條件下,CO2平衡轉(zhuǎn)化率和平衡時(shí)CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化如圖2所示．

圖2

本題第(3)小題第②問(wèn):220 ℃時(shí),在催化劑作用下CO2與H2反應(yīng)一段時(shí)間后,測(cè)得CH3OCH3的選擇性為48%(圖2中A點(diǎn)),不改變反應(yīng)時(shí)間和溫度,一定能提高CH3OCH3選擇性的措施有哪些?學(xué)生返回題干信息,從題干信息可以獲悉反應(yīng)Ⅰ和反應(yīng)Ⅱ是兩個(gè)并列的反應(yīng),其中CH3OCH3是目標(biāo)產(chǎn)物,則生成CO的反應(yīng)為副反應(yīng)．從問(wèn)題上看是要求學(xué)生知道有利于反應(yīng)Ⅱ進(jìn)行的方法.從方程式的化學(xué)計(jì)量數(shù)上看,反應(yīng)Ⅰ為前后體積不變的反應(yīng),而反應(yīng)Ⅱ?yàn)闅怏w體積減小的反應(yīng),所以可想到改變壓強(qiáng)有效．或者可以從催化劑的選擇性考慮選擇合適的催化劑,所以該題答案為“加壓或加有利于反應(yīng)Ⅱ進(jìn)行的催化劑”．

再如,2018年全國(guó)卷Ⅱ第27題第(2)小問(wèn):反應(yīng)中催化劑活性會(huì)因積碳反應(yīng)而降低,同時(shí)存在的消碳反應(yīng)使積碳量減少．相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1

由上表判斷,催化劑X________Y(填“優(yōu)于”或“劣于”),理由是________________．

該題需要先判斷催化劑的優(yōu)劣,然后選擇有利于消碳反應(yīng)的合適催化劑．要解決該題目,學(xué)生要知道,催化劑能改變活化能,而活化能的高低決定了反應(yīng)的難易程度．活化能越高說(shuō)明反應(yīng)越不容易,反應(yīng)速率越慢．所以選擇合適的催化劑需要選擇積碳反應(yīng)的活化能盡量高,而消碳反應(yīng)的活化能盡量低的催化劑,所以答案為X劣于Y．

高考真題對(duì)高中日常學(xué)習(xí)有很強(qiáng)的指導(dǎo)性和引領(lǐng)性．教育部發(fā)布的《中國(guó)高考評(píng)價(jià)體系》中提出的“一核”“四層”“四翼”充分詮釋了高考為什么考、考什么、怎么考的問(wèn)題．通過(guò)對(duì)高考真題的研究,我們可以在一定程度上了解命題人的意圖，如重視必備知識(shí)的考查,注重關(guān)鍵能力的考查等．近幾年高考題的考點(diǎn)也在不斷地轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)變,對(duì)催化劑的認(rèn)識(shí)深度在不斷加深,試題更加注重它對(duì)反應(yīng)歷程的影響,更加注重不同的催化劑對(duì)反應(yīng)速率的影響,更加注重催化劑的選擇性對(duì)主反應(yīng)產(chǎn)率的影響．通過(guò)對(duì)高考真題的研究,學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)日常學(xué)習(xí)中的不足.在平常的學(xué)習(xí)中我們不能為做題而做題,應(yīng)該更加注重化學(xué)學(xué)科核心知識(shí)的認(rèn)知建構(gòu),讓自己更多地從本質(zhì)上去認(rèn)清問(wèn)題,彌補(bǔ)在認(rèn)知過(guò)程中的誤區(qū),才能游刃有余地去解決生產(chǎn)生活中的實(shí)際問(wèn)題．