催化劑對化學反應速率的影響的作圖

作圖題歷來是高中化學教學的一個難點，在2011年6月廣西壯族自治區普通高中畢業會考試卷化學卷中有一道題存在著一些錯誤。下面筆者主要通過分析這道題的錯誤原因和進行糾正入手，順便歸納和討論一下催化劑對化學反應速率的影響的內容，特別是作圖方面，以加深學生對這部分知識的理解。

這道題的原題是：一定條件下，將H2和N2置于密閉容器中發生反應：N2(g)+3H2(g)2NH3(g)(正反應為放熱反應)。右下圖為某時刻開始，用H2、N2和NH3表示的反應速率與時間的關系圖像，請運用圖像信息分析并填空：

（1）反應過程中，N2和H2的消耗速率之比為；

（2）反應在第30min時改變了某一外界條件，該條件是；你判斷的依據是 。

一、題目問題所在

這道題中的第（1）小問沒有什么問題，參考答案是1∶3。問題主要存在于第（2）問與圖中的圖形關系。如果忽略圖中的定量關系，僅從定性變化考慮，第（2）問中第30min時改變的外界條件應該是在體積可變的密閉容器中反應還沒有達到平衡時加入NH3。這樣第30min時由于NH3的濃度增大，所以υ逆(NH3)增大。又因為加入NH3后容器體積增大，N2和H2的濃度減小，所以υ正(N2)和υ正(H2)都減小。然后反應繼續向正方向進行，在45min后達到平衡。然而這樣改變的條件顯然不符合圖中的定量關系。如果按照會考改卷時的參考答案：加入催化劑，正、逆反應速率同等程度增加（不寫“同等程度”、“等比例”等含義不給分），在第30min時改變的某一外界條件是“加入催化劑”，判斷依據是“正、逆反應速率同等程度增加”，明顯與圖中的υ正(N2)和υ正(H2)速率變化不符。原圖中第30min時改變條件后的υ正(N2)和υ正(H2)都在原速率的下方，是比原來減小的，而不是增加的，與判斷依據“正、逆反應速率同等程度增加”不符。再仔細考慮其他不同情況下的各種條件，實在找不出與題目中圖形變化完全符合的外界條件，因此筆者斷定這道題中的圖形是有錯誤的。

二、催化劑對化學反應速率的影響的作圖

從題目圖形中的定量關系和參考答案中強調“同等程度”、“等比例”等要求來看，出題者的原意是要考催化劑對化學反應速率的影響這方面知識的。下面我們先來看一下催化劑是如何對化學反應速率產生影響的。

催化劑對化學反應速率的影響的內容，歸納起來主要有三點：①在化學反應中加入催化劑，能夠降低反應所需的能量，增大反應物分子中活化分子所占的百分數，從而極大地增大化學反應速率。②催化劑能夠同等程度地增加正反應速率和逆反應速率，對化學平衡的移動沒有影響。③使用催化劑能夠改變反應達到平衡所需的時間。用圖形具體表示如下（為方便理解，把不用催化劑和使用催化劑的放在一起作對比，其中虛線表示不加催化劑時的速率變化，實線表示加催化劑后的速率變化）：

1.完全反應（不可逆反應）的速率變化圖

圖1 不加催化劑 圖2 t1時加催化劑圖3 加催化劑與不加催化劑對比

完全反應加入催化劑后速率變化圖的特點：①加入催化劑的t1瞬間，速率明顯比原來的加快（圖形在原圖的上方）。②加入催化劑后反應所需的時間t′0比不加催化劑所需的時間t0要短。③圖形的斜率比不加催化劑的要大。如上圖3。

2.可逆反應的速率變化圖

圖4 不加催化劑 圖5 平衡后t1時加催化劑

（1）可逆反應達到平衡后再加入催化劑的速率變化圖特點（如圖5所示）：由于催化劑能夠同等程度地增加正、逆反應的速率，所以圖形在原平衡的基礎上向上平移了。但要注意的一點是化學平衡并沒有發生移動，即化學平衡狀態的反應混合物的組成不變。

圖6 平衡前t1時加催化劑正確圖圖7 平衡前t1時加催化劑與不加催化劑的對比圖

（2）可逆反應在沒有達到平衡前就加入催化劑的速率變化圖（如圖6、圖7所示）特點：①剛加入催化劑的t1瞬間，正、逆反應速率都比原來的要快，在原圖的上方。②加入催化劑后反應達到平衡所需的時間t′0要比不加催化劑所需的時間t0要少。③加入催化劑所達到的平衡狀態的正、逆反應速率要比不加催化劑的平衡狀態的正、逆反應速率要快，在原平衡的上方。同樣要注意的是加入催化劑后化學平衡并沒有發生移動，這一點也與增大壓強的條件改變有所不同。

三、題目錯誤原因及糾正

2011年6月廣西普通高中畢業會考試卷化學卷中的35題之所以產生那樣的圖形錯誤，是因為出題者在作圖時只注意到了催化劑能夠同等程度改變正、逆反應速率和縮短反應所需時間這兩點，而忽略了是同等程度“增加”正、逆反應速率這一點。所以出題者在作圖時特別突出圖形的定量比例關系，另外在理解“縮短反應時間”時錯誤地理解成只是把不加催化劑的圖形（如圖8所示）簡單地去掉一截（如t1—t2部分），把剩下的部分接起來就是加入催化劑后的錯誤圖形了（如圖9所示），然后根據圖9作成用各反應物質表示的速率圖形，就得到了原題目中的圖形。由于理解錯誤，作圖的依據錯誤，所以做出來的圖形也就自然錯誤。正確的圖形應該是根據上面圖6做出來的如圖10所示的圖形。當然圖10中的圖形也是僅供參考而已，數量間的關系還可以改變，只要比例符合就可以了。

圖8 不加催化劑圖9 平衡前t1時加催化劑錯誤圖

圖10

圖10的圖形特點：①30min時加入催化劑的瞬間N2、H2、NH3的速率都比原來“相同程度的增加”了，增加的比例是1∶3∶2。②加入催化劑后速率的變化比原來加快了，即圖形線條的斜率增大了，達到平衡所需的時間也就縮短了。③反應達到平衡后N2、H2、NH3的速率比是1∶3∶2，等于化學反應方程式中的化學計量數之比。④加入催化劑后達到平衡狀態的速率都應比不加催化劑所達到的平衡狀態的速率要大，圖形在不加催化劑的上方。由于本圖中不加催化劑的平衡狀態沒有表達出來，所以無法比較，若另需作此圖作比較時要注意這一點。

總之，對催化劑影響化學反應速率的作圖，是建立在對理論的正確理解和遵循基本規律的基礎上的。如果對理論理解不透甚至理解錯誤或不按規律作圖，那么做出來的圖是容易出現錯誤的。同樣反過來錯誤的圖形也很難讓人得出正確的結論。另外，筆者認為這道題的給出圖形形式相對于畢業會考來說是偏難了一點，大部分理科生都難以進行判斷，更不用說文科生了。畢業會考應以科普為導向，高考可以加強對專業理論理解的考查，這是筆者個人的看法。

(責任編輯 羅 艷）