對催化劑認識的幾點誤區及相關考點在高考題中的滲透

曾琦茹

在高三的第一輪復習中,關于“化學反應速率和限度”的日常學習,常常會出現以下場景.

場景1

師問:催化劑有什么作用?

學生回答:提高化學反應速率．

師問:催化劑是如何提高化學反應速率的?

學生回答:催化劑能降低化學反應的活化能．

師又問:催化劑是如何降低化學反應的活化能的?

學生沉默……

師再問:催化劑參與反應了嗎?

學生異口同聲:沒有．

我們可以看到,即使到了高三,學生對催化劑是否參與反應的認識還是模糊的,對催化劑降低反應活化能原理的認識更是只知其然而不知其所以然．分析造成學生多數認為催化劑不參與反應的原因有:1)學生在初中學習氧氣的實驗室制法時接觸到了MnO2這種催化劑,但是初中化學教學并不討論催化劑加快化學反應速率的原因,而是只強調催化劑的定義——“催化劑在反應前后質量和性質沒有發生變化”和它的作用——“加快化學反應的速率”．所以學生就根深蒂固地認為反應前后催化劑的質量和性質沒有發生變化即為“不參與反應”．2)在高中學習化學反應速率和限度中,兩處涉及催化劑．第一處是《必修2》第二章第三節實驗2-6,在該實驗中,學生觀察到MnO2、FeCl3均可以提高H2O2分解的反應速率,從而讓學生認識到催化劑不僅可以加快反應速率,而且不同的催化劑對同一反應的催化效果也是不同的．第二處是在《選修4》第二章第二節實驗2-4中,該實驗也是MnO2催化分解H2O2,但不同的是此處是在高一認知的基礎上,通過MnO2能加快H2O2的分解速率,進一步強調催化劑之所以能加快反應速率,是因為它能改變反應的路徑,使發生反應所需的活化能降低．而在此,學生能認識到的是催化劑能改變反應的途徑——降低活化能,但為什么能降低活化能卻沒有深究，因此導致學生對催化劑的認識較為膚淺．在高等教育出版社出版的大學《無機化學》中引入了過渡態理論．過渡態理論認為,化學反應并不是通過反應物分子的簡單碰撞就能完成的,而是從反應物到生成物的過程中經過一種高能量的過渡態,處于過渡態的分子叫活化絡合物．活化絡合物是一種高能量的不穩定的反應物原子組合體,它能較快地分解為新的能量較低、較穩定的生成物．過渡態理論認為,催化劑加快反應速率的原因是形成了反應的途徑,對大多數反應而言,主要是形成了活化絡合物而降低了活化能．在高考題中對這一理論也有很好的體現．

例如，2018年北京卷選擇題第二題中涉及我國科研人員提出的由CO2和CH4轉化為高附加值產品CH3COOH的催化反應歷程．該歷程示意圖如下．

圖1

在該題目中,通過催化反應歷程的示意圖,可以看出CH4和CO2并不是直接反應就生成了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形成過渡態物質,最后過渡態物質奪走附著在催化劑上的H原子形成CH3COOH,整個過程中催化劑并沒有改變組成、結構,但參與了生成過渡態物質的反應．

場景2

師問:催化劑能提高化學反應速率,也能提高反應物的轉化率嗎?

學生回答:不能.

師問:催化劑不能提高反應物的轉化率,那么能改變產物的產率嗎?

學生回答:能.

師追問:轉化率和產率是一致的嗎?轉化率不變則產率也不變嗎?

學生靜默……

學生通過前面的學習,基本上知道了催化劑是如何改變化學反應速率的，但是對于催化劑能否改變反應物的轉化率和生成物的產率,是學生認識的另一盲區．學生在初中就知道催化劑具有“專一性、高效性、選擇性”等性質,“專一性”是指一種催化劑的催化作用只對某個或某些反應有效,“高效性”是指催化劑對反應速率的影響是非常顯著的,但對催化劑的“選擇性”認識卻不甚了解．通過查閱文獻,在高中階段認識到的催化劑一般是多相催化,即氣體反應物吸附在催化劑載體上使反應物分子活化,降低反應的活化能,從而提高反應速率．高中階段一般認為催化劑只改變反應速率,而不改變轉化率．但對于在給定條件下,反應物之間能同時進行多個反應時,則催化劑可體現它的選擇性．選擇合適的催化劑可以抑制副反應的進行,大幅度提高目標產物在最終產物中的含量,即目標產物的產率．

例如，2019年江蘇卷第20題：CO2催化加氫合成二甲醚是一種CO2轉化方法,其過程中主要發生下列反應:

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

反應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平衡轉化率和平衡時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:220 ℃時,在催化劑作用下CO2與H2反應一段時間后,測得CH3OCH3的選擇性為48%(圖2中A點),不改變反應時間和溫度,一定能提高CH3OCH3選擇性的措施有哪些?學生返回題干信息,從題干信息可以獲悉反應Ⅰ和反應Ⅱ是兩個并列的反應,其中CH3OCH3是目標產物,則生成CO的反應為副反應．從問題上看是要求學生知道有利于反應Ⅱ進行的方法.從方程式的化學計量數上看,反應Ⅰ為前后體積不變的反應,而反應Ⅱ為氣體體積減小的反應,所以可想到改變壓強有效．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Ⅱ進行的催化劑”．

再如,2018年全國卷Ⅱ第27題第(2)小問: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使積碳量減少．相關數據如表1所示.

表1

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

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

高考真題對高中日常學習有很強的指導性和引領性．教育部發布的《中國高考評價體系》中提出的“一核”“四層”“四翼”充分詮釋了高考為什么考、考什么、怎么考的問題．通過對高考真題的研究,我們可以在一定程度上了解命題人的意圖，如重視必備知識的考查,注重關鍵能力的考查等．近幾年高考題的考點也在不斷地轉換和轉變,對催化劑的認識深度在不斷加深,試題更加注重它對反應歷程的影響,更加注重不同的催化劑對反應速率的影響,更加注重催化劑的選擇性對主反應產率的影響．通過對高考真題的研究,學生可以發現日常學習中的不足.在平常的學習中我們不能為做題而做題,應該更加注重化學學科核心知識的認知建構,讓自己更多地從本質上去認清問題,彌補在認知過程中的誤區,才能游刃有余地去解決生產生活中的實際問題．