河北 晏富強(qiáng) 文玉玲

2020年以后的高考化學(xué)試題是依據(jù)《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》)學(xué)業(yè)要求進(jìn)行命題，與曾經(jīng)的高考考試大綱對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)催化劑的考查要求有很大的改變，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))版》高考考試大綱(2019年)要求的是了解反應(yīng)活化能的概念，了解催化劑的重要作用；《課程標(biāo)準(zhǔn)》學(xué)業(yè)要求的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，了解溫度、濃度、壓強(qiáng)和催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。知道化學(xué)反應(yīng)是有歷程的，認(rèn)識(shí)基元反應(yīng)活化能對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。催化劑在現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中有極其重要的作用，近年的高考題都比較注重化學(xué)問(wèn)題的情境設(shè)置，強(qiáng)調(diào)了化學(xué)與社會(huì)發(fā)展的重要聯(lián)系，催化劑在高考中由邊緣知識(shí)逐步變?yōu)橹匾键c(diǎn)，特別是2021年高考多道高考題對(duì)此進(jìn)行了考查，其考查的知識(shí)面廣，對(duì)考生的要求能力高。教師通過(guò)分析這些高考題啟發(fā)學(xué)生深度思考，不僅可以夯實(shí)學(xué)生必備知識(shí)形成關(guān)鍵能力，還能提高學(xué)生化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

一、從教材概念了解催化劑

在初中教材上催化劑是“在化學(xué)反應(yīng)里能改變其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率，而本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后都沒(méi)有發(fā)生變化的物質(zhì)”。

在蘇教版高中化學(xué)教材對(duì)催化劑有如下描述：“催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率有顯著影響，是通過(guò)降低反應(yīng)所需的活化能來(lái)增大反應(yīng)速率的?！庇纱丝芍呋瘎┲桓淖兞朔磻?yīng)的途徑?jīng)]有改變反應(yīng)的熱效應(yīng)。在可逆反應(yīng)中催化劑可以改變化學(xué)反應(yīng)速率但不會(huì)使平衡移動(dòng)。催化劑是通過(guò)降低反應(yīng)所需的活化能來(lái)增大反應(yīng)速率的。沒(méi)有催化劑的反應(yīng)，活化能較大，則反應(yīng)速率較??；而有催化劑參與的反應(yīng)，活化能較小，則反應(yīng)速率較大。

【例1】(2021·廣東省選擇性考試·19節(jié)選)一定條件下，CH4分解形成碳的反應(yīng)歷程如圖1所示。該歷程分________步進(jìn)行，其中，第________步的正反應(yīng)活化能最大。

圖1

【參考答案】4；4

【解析】由圖1可知，反應(yīng)過(guò)程中能量變化出現(xiàn)了4個(gè)峰，即有4個(gè)過(guò)渡態(tài)出現(xiàn)了4次活化能，經(jīng)歷了4步反應(yīng)；且從左往右看4次活化能吸收中，第4次對(duì)應(yīng)的峰最高，即正反應(yīng)方向第4步吸收的能量最多，對(duì)應(yīng)的正反應(yīng)活化能最大，活化能較大反應(yīng)速率慢。

教師要讓學(xué)生深度理解概念就需要讓學(xué)生知道概念形成的理論依據(jù)，從反應(yīng)歷程和活化能的角度深度思考催化劑催化的機(jī)理，加深學(xué)生對(duì)催化劑的理解。

二、從反應(yīng)歷程認(rèn)識(shí)催化劑和中間產(chǎn)物

《課程標(biāo)準(zhǔn)》學(xué)業(yè)要求學(xué)生要知道化學(xué)反應(yīng)是有歷程的，認(rèn)識(shí)到催化劑(正催化劑)本身和反應(yīng)物一起參加了化學(xué)反應(yīng)，降低了反應(yīng)所需要的活化能；也有些催化反應(yīng)是由于形成了很容易發(fā)生反應(yīng)的中間產(chǎn)物，反應(yīng)時(shí)催化劑恢復(fù)了原來(lái)的化學(xué)組成。催化反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜反應(yīng)，要經(jīng)過(guò)若干基元反應(yīng)才能完成，這些基元反應(yīng)描述了復(fù)雜反應(yīng)所經(jīng)過(guò)的途徑，在化學(xué)動(dòng)力學(xué)上稱(chēng)為反應(yīng)歷程。催化劑只能改變反應(yīng)途徑而不能改變反應(yīng)發(fā)生的方向。

【例2】(2021·湖南省選擇性考試·14)鐵的配合物離子(用[L—Fe—H]+表示)催化某反應(yīng)的一種反應(yīng)機(jī)理和相對(duì)能量的變化情況如圖2所示：

圖2

下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是

( )

B.H+濃度過(guò)大或者過(guò)小，均導(dǎo)致反應(yīng)速率降低

C.該催化循環(huán)中Fe元素的化合價(jià)發(fā)生了變化

D.該過(guò)程的總反應(yīng)速率由Ⅱ→Ⅲ步驟決定

【參考答案】CD

【深度思考】基元反應(yīng)中[L—Fe—H]+參與反應(yīng)，在反應(yīng)前后的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不變，起催化劑的作用，H+和除了[L—Fe—H]+以外的鐵的化合物起中間產(chǎn)物的作用。怎樣判斷催化劑和中間產(chǎn)物是學(xué)生答題時(shí)存在的問(wèn)題，一般來(lái)說(shuō)催化劑是前面一個(gè)基元反應(yīng)的反應(yīng)物，是最后一個(gè)基元反應(yīng)的生成物，而且反應(yīng)前后的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不變化，可以總結(jié)為“失而復(fù)得”。中間產(chǎn)物是前面一個(gè)基元反應(yīng)的生成物，是后面某一個(gè)基元反應(yīng)的反應(yīng)物，不會(huì)在總反應(yīng)的生成物中出現(xiàn)，中間產(chǎn)物往往不穩(wěn)定，可以把中間產(chǎn)物總結(jié)為“自生自滅”。在能量圖中除了反應(yīng)物、生成物之外所有的“峰頂”就是過(guò)渡態(tài)，所有“谷底”就是中間體；過(guò)渡態(tài)能量比較高一定不太穩(wěn)定，中間體能量相對(duì)較低相對(duì)比較穩(wěn)定，有一定的存在時(shí)間。

三、從基元反應(yīng)活化能理解催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響

《課程標(biāo)準(zhǔn)》學(xué)業(yè)要求學(xué)生認(rèn)識(shí)基元反應(yīng)活化能對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。在蘇教版高中教材對(duì)活化能是這樣描述的，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化為生成物的過(guò)程要經(jīng)過(guò)能量較高的過(guò)渡態(tài)，過(guò)渡態(tài)的平均能量與反應(yīng)物分子的平均能量的差為反應(yīng)的活化能。如圖3所示，Ea2是該反應(yīng)無(wú)催化劑的活化能，Ea1和Ea3是該反應(yīng)有催化劑后兩個(gè)基元反應(yīng)的活化能，Ea1逆是第一個(gè)基元反應(yīng)的逆反應(yīng)活化能。

圖3

【例3】(2021·河北省選擇性考試·16節(jié)選)在電解質(zhì)水溶液中，三種不同催化劑(a、b、c)上CO2電還原為CO的反應(yīng)進(jìn)程中(H+電還原為H2的反應(yīng)可同時(shí)發(fā)生)，相對(duì)能量變化如圖4。由此判斷，CO2電還原為CO從易到難的順序?yàn)開(kāi)_______(用a、b、c字母排序)。

(a)CO2電還原為CO

(b)H+電還原為H2

【參考答案】c、b、a

【解析】由圖4可知，a催化劑條件下，H+電還原的活化能為0.27 eV，CO2電還原的活化能為0.51 eV，相比較H+電還原的活化能比CO2電還原的活化能小0.24 eV，發(fā)生H+電還原的可能性大于發(fā)生CO2電還原的可能性。b催化劑條件下，H+電還原的活化能為-0.22 eV，CO2電還原的活化能為-0.08 eV，相比較H+電還原的活化能比CO2電還原的活化能小0.14 eV，發(fā)生H+電還原的可能性大于發(fā)生CO2電還原的可能性，但和a催化劑條件下相比較，b催化劑條件下發(fā)生CO2電還原的可能性比a催化劑條件下大。c催化劑條件下，CO2電還原的活化能為0.22 eV，H+電還原的活化能為0.60 eV，更容易發(fā)生CO2的電還原。因此反應(yīng)從易到難的順序?yàn)閏、b、a。

四、建構(gòu)解題模型，形成關(guān)鍵能力

催化劑在化學(xué)工業(yè)廣泛使用，將來(lái)催化劑在科學(xué)理論研究、氫能源的開(kāi)發(fā)與利用，碳中和及環(huán)境的治理與保護(hù)方面都有極大的發(fā)展前景。今年高考中催化劑檢測(cè)學(xué)生核心素養(yǎng)的功能更加突顯，要求學(xué)生具備處理圖像、表格等信息的能力，吸收信息能力，理解與辨析能力，基于證據(jù)進(jìn)行分析、推理能力。在二輪復(fù)習(xí)中學(xué)生需依據(jù)教材和《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求建構(gòu)催化劑的知識(shí)模型，可以概括為“四能四不能”。

圖5

( )

圖6

A.反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ為決速步

B.反應(yīng)結(jié)束后，溶液中存在18OH-

C.反應(yīng)結(jié)束后，溶液中存在CH318OH

D.反應(yīng)I與反應(yīng)Ⅳ活化能的差值等于圖示總反應(yīng)的焓變

【參考答案】B

在以上必備知識(shí)的基礎(chǔ)上，教師總結(jié)近幾年高考題解題規(guī)律，發(fā)現(xiàn)有關(guān)催化劑的考查逐漸將定性問(wèn)題變?yōu)槎炕?，結(jié)論性問(wèn)題過(guò)程化，宏觀性問(wèn)題微觀化等，試題通過(guò)圖文、表格、流程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等多種信息呈現(xiàn)，注重對(duì)學(xué)生化學(xué)核心素養(yǎng)的考查。涉及催化劑原理的問(wèn)題，可讓學(xué)生形成如圖7審題和思考此類(lèi)題目的解題模型：

圖7

【例5】[2019·全國(guó)卷Ⅰ·28(3)]我國(guó)學(xué)者結(jié)合實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，研究了在金催化劑表面上水煤氣變換的反應(yīng)歷程，如圖8所示，其中吸附在金催化劑表面上的物種用*標(biāo)注。

圖8

可知水煤氣變換的ΔH________(填“大于”“等于”或“小于”)0。該歷程中最大能壘(活化能)E正=________eV，寫(xiě)出該步驟的化學(xué)方程式：____________________。

【解析】提取關(guān)鍵信息：由題中圖示可知水煤氣變換時(shí)反應(yīng)物的總相對(duì)能量0 eV，反應(yīng)后生成物的總相對(duì)能量-0.72 eV，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故ΔH小于零。