淺談從“必備知識(shí)”和“關(guān)鍵能力”構(gòu)建催化劑的考查解題模型

蘇宏巖

【摘要】? 本文以近幾年高考真題中催化劑的考查為例，分析該類題型的特點(diǎn)及解題技巧，從解該類題型的必備知識(shí)出發(fā)，分析解該類題型需要學(xué)生具備的關(guān)鍵能力，構(gòu)建該類題型的解題模型。

【關(guān)鍵詞】? 必備知識(shí) 關(guān)鍵能力 審題模型 解題模型

【中圖分類號(hào)】? G633.8? ?? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】? A ? ? 【文章編號(hào)】? 1992-7711（2020）25-062-02

本文以近幾年高考真題中涉及催化劑的考查為例，分析催化劑常見的考查方向，解題需要學(xué)生掌握的必備知識(shí)和具備的關(guān)鍵能力，構(gòu)建常見考查方向的解題模型，以期幫助廣大同行構(gòu)筑催化劑的考查解題模型。

一、催化劑循環(huán)機(jī)理的考查及其解題模型

近幾年在有些省份的高考真題中，催化劑的循環(huán)機(jī)理成為了高頻考點(diǎn)，考查循環(huán)催化劑機(jī)理過(guò)程中涉及方程式的書寫、主要產(chǎn)物的判斷等。

例：（2018年北京卷節(jié)選改編）近年來(lái)有研究人員提出利用含硫物質(zhì)的循環(huán)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)，過(guò)程如下：

解析：對(duì)于催化劑循環(huán)催化機(jī)理的考查，學(xué)生只要基于循環(huán)機(jī)理的特點(diǎn)進(jìn)行分析，即第一步反應(yīng)是催化劑參與和中間產(chǎn)物生成的反應(yīng)，第二步反應(yīng)是中間產(chǎn)物參與和催化劑生成的反應(yīng)，便可得知每一步反應(yīng)的主要反應(yīng)物和生成物。

因此可知第一步反應(yīng)為催化劑I-參與和中間產(chǎn)物I2生成的反應(yīng)，第二步則是中間產(chǎn)物I2參與和催化劑I-生成的反應(yīng)，再結(jié)合情境可知該反應(yīng)為SO2的歧化反應(yīng)，因此反應(yīng)ii的反應(yīng)物還有SO2，由氧化還原反應(yīng)原理可知生成物還有H2SO4，最后根據(jù)缺項(xiàng)配平的思路即可寫出方程式：I2+2H2O+SO2=4H++SO42-+2I-。

可構(gòu)建此類題型的解題模型：明確第一步為催化劑參與，第二步為催化劑生成→結(jié)合情境和氧化還原反應(yīng)原理分析每步反應(yīng)的主要反應(yīng)物和生成物→根據(jù)缺項(xiàng)配平思路書寫方程式或判斷產(chǎn)物。

二、催化劑活性的考查及其解題模型

催化劑的活性是指催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)的催化能力。通常在高考題中，催化劑活性的考查主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者圖像等形式呈現(xiàn)，讓學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)等分析催化劑的活性隨外界條件改變而呈現(xiàn)的變化。因此學(xué)生要能夠正確認(rèn)識(shí)催化劑的活性與溫度等外界條件的關(guān)系，一般情況下催化劑的活性在一定溫度范圍內(nèi)最大，溫度過(guò)低催化劑的活性低，溫度過(guò)高，催化劑可能會(huì)失去活性，學(xué)生只要基于這個(gè)必備知識(shí)，便可以對(duì)實(shí)驗(yàn)溫度等作出選擇或者正確分析。

例：（2018年江蘇卷節(jié)選改編）NO和NO2等氮的氧化物（NOx）是大氣主要污染物之一，去除大氣中氮的氧化物（NOx）是環(huán)境保護(hù)的重要課題。

在一定條件下，NH3和NOx在新型催化劑M的催化下反應(yīng)生成N2。

現(xiàn)將O2、NH3和NOx按一定比例混合后，通入裝有催化劑M的反應(yīng)器中反應(yīng)，裝置如下圖所示。

反應(yīng)在單位時(shí)間內(nèi)氮的氧化物（NOx）的去除率隨溫度的變化曲線如下圖所示，在50-250℃范圍內(nèi)隨著溫度的升高，NOx的去除率先迅速上升的主要原因是__________________________________，隨后上升緩慢的主要原因是________________________________________________________。

解析：此題學(xué)生只要基于催化劑的活性與溫度的關(guān)系進(jìn)行分析，便可得知?jiǎng)傞_始隨著溫度的升高，催化劑的活性增大，且隨著溫度升高，平衡右移，因此隨著溫度升高NOx的去除率迅速增大;而當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，催化劑的活性降低，但平衡依然向右移動(dòng)，故NOx的去除率上升緩慢。

因此在涉及催化劑活性的考查中，學(xué)生需基于催化劑活性與溫度的關(guān)系，構(gòu)建該類題型的解題模型：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或圖像變化→分析催化劑的活性溫度范圍→選擇反應(yīng)溫度或進(jìn)行理論分析。

三、催化劑的選擇、催化效果比較的考查及其解題模型

不同的催化劑對(duì)反應(yīng)催化能力是不一樣的，近幾年在有些省份的高考題中，通常讓學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)催化劑催化效果進(jìn)行比較或者對(duì)反應(yīng)的催化劑進(jìn)行選擇，因此在復(fù)習(xí)中有必要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)化學(xué)反應(yīng)速率與生產(chǎn)的關(guān)系，在催化劑的選擇或者催化效果的比較中，學(xué)生要基于化學(xué)反應(yīng)速率、單位時(shí)間轉(zhuǎn)化率、抑制副反應(yīng)等角度進(jìn)行分析。

例：（2018新課標(biāo)Ⅱ卷節(jié)選改編）CH4-CO2催化重整不僅對(duì)溫室氣體的減排具有重要意義，還可以得到CO和H2，請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

反應(yīng)中存在的消碳反應(yīng)和積碳反應(yīng)，而催化劑的活性會(huì)因積碳反應(yīng)而降低。相關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

由該表數(shù)據(jù)分析催化劑X_______Y（填“優(yōu)于”或“劣于”），理由是____________________________。

解析：催化劑的活性受積碳反應(yīng)影響，因此關(guān)鍵點(diǎn)在于分析積碳反應(yīng)和消碳反應(yīng)的有利條件，根據(jù)表格數(shù)據(jù)分析可知在催化劑X作用下，積碳反應(yīng)的活化能低，而消碳反應(yīng)的活化能高，因此更有利于積碳反應(yīng)的進(jìn)行，故催化劑的活動(dòng)性會(huì)降低。學(xué)生基于這樣分析便可得知催化劑X劣于催化劑Y.

因此在催化劑的選擇或者催化劑催化效果的比較問(wèn)題上，學(xué)生要基于催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率快、單位時(shí)間轉(zhuǎn)化率高、抑制副反應(yīng)等角度進(jìn)行分析，構(gòu)建該類題型的解題模型：反應(yīng)速率快（單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化率高）/抑制副反應(yīng)→活化能小→催化劑催化效果好。

變式訓(xùn)練（2016年浙江高考節(jié)選改編）解決溫室效應(yīng)和能源問(wèn)題的重要手段是催化還原CO2.研究表明，CO2和H2可在Cu/ZnO催化劑存在下發(fā)生如下兩個(gè)平行反應(yīng)：

某實(shí)驗(yàn)室控制在相同壓強(qiáng)、相同反應(yīng)時(shí)間下，按CO2和H2初始投料比為1∶2.2進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示：

請(qǐng)畫出反應(yīng)Ⅰ在有催化劑Cat.1和有催化劑Cat.2、無(wú)催化劑三種情況下“反應(yīng)過(guò)程——能量”示意圖。

解析：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在催化劑Cat.2的催化下，甲醇的選擇性高，即反應(yīng)I單位時(shí)間內(nèi)CO2的轉(zhuǎn)化率高，因此可知催化劑Cat.2的催化效果比催化劑Cat.1好，反應(yīng)的活化能小，基于此可以畫出如下“化學(xué)反應(yīng)過(guò)程——能量”示意圖。

隨著新課程改革的深入推進(jìn)，高考對(duì)催化劑的考查也由原來(lái)簡(jiǎn)單的概念辨識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄐ浴⒍糠治?，轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^辨識(shí)和微觀探析化，注重化學(xué)核心素養(yǎng)的真正落地，因此在復(fù)習(xí)的過(guò)程中，我們要充分梳理催化劑概念的內(nèi)涵和外延，引導(dǎo)學(xué)生基于催化劑循環(huán)催化機(jī)理以及催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)影響的結(jié)果，構(gòu)建知識(shí)體系，形成解題模型，提高學(xué)生解決陌生情境下真實(shí)化學(xué)問(wèn)題的能力。

[ 參? 考? 文? 獻(xiàn) ]

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[2]陳曉雷.高考“明星”考點(diǎn)—催化劑[J].理科考試研究綜合版，2018，（12）：53-55.

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