催化劑在高考試題中的考查

湖南 周偉華

《普通高中化學課程標準》(2017年版)中與催化劑有關的描述多達19處，多個模塊提及，課程標準指出：知道化學反應是有歷程的，知道催化劑可以改變反應歷程，對調控化學反應速率具有重要意義。近年來多套試題涉及催化劑的考查，體現了當前高考對催化劑問題的關注。

一、催化劑及催化機理

1902年奧斯特瓦爾德(F.W.Ostwald)將催化定義為“加速化學反應而不影響化學平衡的作用”，國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)于1981年提出了定義：催化劑是一種改變反應速率但不改變反應總標準吉布斯自由能的物質。

催化劑是能加快化學反應速率而在反應前后本身的質量和化學性質均不變的物質。由于催化劑的質量和化學性質在反應前后均不變，循環催化反應歷程中既包含有催化劑參與的反應，又包括使催化劑再生的反應。

催化劑能加快化學反應速率，本質原因是因為它能改變反應的途徑，使反應所需的活化能降低，從而使反應物中活化分子百分數提高，有效碰撞幾率增大，提高了化學反應速率。催化劑雖然能加快反應速率，但是不能改變反應的焓變，也不改變平衡的移動。

二、催化劑循環催化機理在高考試題中的考查角度及解析考查一 催化原理涉及的反應方程式以及實驗設計

2016年北京卷27題涉及催化劑循環催化機理及相關實驗設計，2018年北京卷第27題亦如此，保持了試卷的穩定性和探究性。

例1.[2016·北京卷·27題·節選]以廢舊鉛酸電池中的含鉛廢料(Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等)和H2SO4為原料，制備高純PbO，實現鉛的再生利用。其工作流程如圖1所示：

圖1

(1)過程Ⅰ中，在Fe2+催化下，Pb和PbO2反應生成PbSO4的化學方程式是。

(2)過程Ⅰ中，Fe2+催化過程可表示為

ⅱ.……

①寫出ⅱ的離子方程式：________。

②下列實驗方案可證實上述催化過程。將實驗方案補充完整。

a．向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液幾乎無色，再加入少量PbO2，溶液變紅。

b．________。

考查二識別圖示、方程式中的催化劑、催化產物

追溯到2008年廣東卷第24題，2018年全國卷Ⅱ第8題、海南卷第12題，2017年江蘇卷第18題，2014年全國卷Ⅰ第9題均涉及識別圖示或方程式中的催化劑，或辨析某個物質是否為催化劑。

例2．[2017年·江蘇卷·18·節選]堿式氯化銅是重要的無機殺菌劑。

(1)堿式氯化銅有多種制備方法

圖2

②方法2：先制得CuCl2，再與石灰乳反應生成堿式氯化銅。Cu與稀鹽酸在持續通入空氣的條件下反應生成CuCl2，Fe3+對該反應有催化作用，其催化原理如圖2所示。M'的化學式為。

【答案】Fe2+

【啟示】將物質制備過程中涉及的主要物質間的變化情況用圖示或方程式等形式呈現給學生，考查學生觀察能力、信息獲取能力、推理分析能力及對氧化還原反應等方面的掌握情況。判斷催化劑在圖示或多步方程式中的位置是解題的關鍵之一。

考查三催化劑與反應過程中能量變化、速率變化、平衡移動等方面的關系

1.能引起的變化：

催化劑能加快反應速率、縮短到達平衡的時間、提高反應的效率、降低反應活化能等。

2.不能引起的變化：

催化劑不能改變平衡移動、平衡常數K、平衡轉化率、焓變ΔH等。

例3.[2018·北京卷·7]我國科研人員提出了由CO2和CH4轉化為高附加值產品CH3COOH的催化反應歷程。該歷程如圖3所示。

圖3

下列說法不正確的是( )

A．生成CH3COOH總反應的原子利用率為100%

D．該催化劑可有效提高反應物的平衡轉化率

【答案】D

例4．[2015年·重慶卷·11·節選]我國古代青銅器工藝精湛，有很高的藝術價值和歷史價值，但出土的青銅器因受到環境腐蝕，欲對其進行修復和防護具有重要意義。

研究發現，腐蝕嚴重的青銅器表面大都存在CuCl。關于CuCl在青銅器腐蝕過程中的催化作用，下列敘述正確的是。

A．降低了反應的活化能

B．增大了反應的速率

C．降低了反應的焓變

D．增大了反應的平衡常數

【答案】AB

例5．[2014年·海南卷·8]某反應過程能量變化如圖所示，下列說法正確的是

( )

A．反應過程a有催化劑參與

B．該反應為放熱反應，熱效應等于ΔH

C．改變催化劑，不能改變該反應的活化能

D．有催化劑條件下，反應的活化能等于E1+E2

圖4

【解析】A選項，有催化劑參與的反應的活化能比無催化劑時反應的活化能有所降低，從而加快了反應速率，因此過程a沒有催化劑參與，過程b有催化劑參與；B選項，從總能量變化角度可判斷該反應為放熱反應，熱效應等于ΔH；C選項,改變催化劑，能改變該反應的活化能；D選項，由圖可知，反應的活化能應等于E1。

【答案】B

【啟示】催化劑通過降低反應的活化能來加快反應速率，但是不能改變反應的焓變，不改變平衡的移動。有催化劑參與的反應過程——能量示意圖通常會出現兩個波峰，而不是教材中的一個波峰，能糾正并促進學生對催化劑催化機理的認識。

考查四催化劑的選擇性、催化效果比較

催化劑的選擇性是催化劑的重要性質之一,指在能發生多個反應的反應體系中，某種催化劑在一定條件下只對其中某一反應起催化作用的性能。催化劑的選擇性受反應條件、催化劑形態等因素的影響。

催化劑的選擇性在工業上具有特殊作用,可以利用選擇性使原料向制定的方向轉化，減少副反應。對某一反應而言，催化劑也并非一種，往往有多種，不同的催化劑催化效果不同。

由于最慢的一步反應對總反應速率起決定作用，所以，催化劑通常通過催化其中的慢反應表示出來，且催化劑的濃度越大，反應速率越快。

例6.[2018·全國卷Ⅱ·27·節選]CH4—CO2催化重整不僅可以得到合成氣(CO和H2)，還對溫室氣體的減排具有重要意義。回答下列問題：

反應中催化劑活性會因積碳反應而降低，同時存在的消碳反應則使積碳量減少。相關數據如表1：

表1

由表1判斷，催化劑X(填“優于”或“劣于”)Y，理由是__________。

【解析】首先，我們要抓住題干關鍵信息：反應中催化劑活性會因積碳反應而降低，同時存在的消碳反應則使積碳量減少推斷出關鍵信息：積碳反應速率大，消碳反應速率小，對應的催化劑的催化性能劣于積碳反應。

【答案】劣于 相對催化劑X，催化劑Y積碳反應的活化能大，積碳反應的速率小；而消碳反應活化能相對小，消碳反應速率大

【啟示】通常對于同一反應體系而言，使用催化劑能降低反應所需的活化能，所需的活化能越低，反應速率越快。由表格數據可知：相對于催化劑X，催化劑Y積碳反應的活化能大，積碳反應的速率小；而消碳反應活化能小，消碳反應速率大。

例7．[2016·浙江卷·28·節選]催化還原CO2是解決溫室效應及能源問題的重要手段之一。研究表明，在Cu/ZnO催化劑存在下，CO2和H2可發生兩個平行反應，分別生成CH3OH和CO。反應的熱化學方程式如下：

ΔH1=-53.7 kJ·mol-1Ⅰ

某實驗室控制CO2和H2初始投料比為1∶2.2，在相同壓強下，經過相同反應時間測得如表2實驗數據：

表2

【備注】Cat．1：Cu/ZnO納米棒；Cat．2：Cu/ZnO納米片；甲醇選擇性：轉化的CO2中生成甲醛的百分比。

已知：①CO和H2的標準燃燒熱分別為 -283.0 kJ·mol-1和-285.8 kJ·mol-1；

②H2O(l)=H2O(g) ΔH3=+44.0 kJ·mol-1。

請回答(不考慮溫度對ΔH的影響)：

(1)反應Ⅰ的平衡常數表達式K=；反應Ⅱ的ΔH2=kJ·mol-1。

(2)有利于提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率的措施有。

A．使用催化劑Cat.1

B．使用催化劑Cat.2

C．降低反應溫度

D．投料比不變，增加反應物的濃度

E．增大CO2和H2的初始投料比

(3)表中實驗數據表明，在相同溫度下不同的催化劑對CO2轉化成CH3OH的選擇性有顯著的影響，其原因是。

(4)在圖5中分別畫出Ⅰ在無催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應過程 - 能量”示意圖。

圖5

【解析】本題我們將重點解析與催化劑相關的(3)、(4)：

(3)催化劑不改變平衡的移動，不改變平衡轉化率，而表中數據轉化率在相同條件下有區別，引起了學生認知沖突，要意識到此時反應未達到平衡，同時不同的催化劑對反應Ⅰ的催化能力不同，因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響。

(4)定位于催化劑的選擇性，即某種催化劑只對某個特定的反應起催化作用，并不是對所有的反應都起催化作用。

不同的催化劑對反應Ⅰ的催化能力不同,由表格數據可知，相同溫度下使用Cat.2反應Ⅰ甲醇選擇性更高。據此可判斷Cat.2催化效果更好，因此，Cat.2降低反應所需活化能程度更大。解題時還需要注意甲醇選擇性與催化劑的選擇性內涵不同。

(2)CD

(3)表中數據表明此時反應未達到平衡，不同的催化劑對反應Ⅰ的催化能力不同，因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響

(4)

圖6

三、結語

近年來高考化學關于催化劑內容的試題已由簡單的概念判斷轉變為將定性問題定量化，結論問題過程化，宏觀問題微觀化等，通過圖文、表格、流程、實驗數據等多種信息呈現，注重對化學核心素養的考察，教學中要注意挖掘催化劑相關概念的內涵和外延，促進學生認識發展，建構知識體系，形成解題能力與化學素養，提高備考的針對性和有效性。