催化機(jī)理在近五年高考試題中的考查研究

周小秀 劉陳香 鐘輝生

（1.贛州市第三中學(xué) 江西 贛州 341000；2.贛州中學(xué) 江西 贛 州 341000；3.贛州市教育教學(xué)科學(xué)研究所 江西 贛州 341000）

一、問題提出

催化劑號稱“工業(yè)味精”，是改變化學(xué)反應(yīng)速率最有效的手段之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)有90%以上的化學(xué)工業(yè)都使用了催化劑，使用催化劑可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。［1］催化劑改變了反應(yīng)歷程，改變了反應(yīng)速率。對反應(yīng)歷程的研究要追溯到兩位偉大的化學(xué)家西里爾·欣謝爾伍德（Cyril Norman Hinshelwood）和尼古拉·謝苗諾夫（Nikolay Nikolaevich Semyonov）。他們提出一個(gè)看似非常簡單的反應(yīng)，如氫氣與氧氣反應(yīng)生成水，實(shí)際上發(fā)生了復(fù)雜的鏈反應(yīng)。他們開創(chuàng)了對化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究，并于1956年成功獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，其研究為有機(jī)和無機(jī)化學(xué)開辟了廣闊的新途徑。在研究反應(yīng)機(jī)理中作出巨大貢獻(xiàn)的還有一位偉大的化學(xué)家艾哈邁德·澤維爾（A.H.Zewail），他第一個(gè)揭示了化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)——化學(xué)鍵的斷裂和形成時(shí)刻，其“用飛秒光學(xué)對化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)的研究”獲得了1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，相關(guān)素材已嵌入到新課標(biāo)人教版、蘇教版和魯科版教材中。［2-4］使用Zewail的技術(shù)可以更深入地研究反應(yīng)機(jī)制，即催化過程，這有助于實(shí)現(xiàn)化學(xué)夢想:控制反應(yīng)的過程。正是有了他們對反應(yīng)機(jī)理和過渡態(tài)的研究基礎(chǔ)，隨后涌現(xiàn)出一大批在催化劑領(lǐng)域的創(chuàng)新研究成果，其中在“不對稱催化”方面的創(chuàng)新研究被兩次授予了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（2001 年和2021 年）。2022 年1 月，我國云南大學(xué)柳清菊教授的合作團(tuán)隊(duì)發(fā)表了最強(qiáng)光催化劑分解水制氫的研究成果［5］。

二、催化劑素材在教材中的體現(xiàn)

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2003 年版）》（簡稱“舊課標(biāo)”）對催化劑的認(rèn)知要求較低，停留在宏觀表征方面，即催化劑的使用降低了活化能，進(jìn)而提升了反應(yīng)速率。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”），增設(shè)了反應(yīng)機(jī)理的微觀視角，拓寬了學(xué)生的視野，為深入理解催化機(jī)理奠定基礎(chǔ)。新舊課標(biāo)有關(guān)催化劑要求對比詳見表1。

表1 催化劑教學(xué)要求在新舊課標(biāo)中的對比

現(xiàn)行各版本新教材（2019 年版）有關(guān)反應(yīng)機(jī)理的素材非常豐富，其中魯科版以氫氣與氧氣反應(yīng)為例，教材明確指出反應(yīng)約經(jīng)歷了12步反應(yīng)才能完成。不同版本教材中反應(yīng)機(jī)理教學(xué)素材詳見表2。

表2 不同版本新教材有關(guān)反應(yīng)機(jī)理的素材

新課有關(guān)催化劑的要求既完善了學(xué)生的認(rèn)知視角，又豐富了學(xué)生的科學(xué)視野，也有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的創(chuàng)新精神，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)。教學(xué)實(shí)踐過程中我們要充分挖掘催化劑素材背后的育人價(jià)值。

三、近五年高考試題中的催化劑素材

新型催化劑的開發(fā)和催化機(jī)理的研究成了當(dāng)前熱點(diǎn)，催化劑前沿的科研成果成了高考命題專家青睞的命題素材，以我國科技工作者的科研成果為素材還可增強(qiáng)學(xué)生的科技自信和文化自信。［9］催化劑素材吻合了新課標(biāo)倡導(dǎo)的基于真實(shí)情境為測試載體的試題命制原則，在真實(shí)情境中測試學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。［10］自2018年起，催化劑素材廣泛出現(xiàn)在高考試題中，其信息呈現(xiàn)方式及社會價(jià)值見表3。

表3 2018-2022年高考試題中的催化劑信息呈現(xiàn)方式及社會價(jià)值

從表3可清晰看出，催化機(jī)理素材自2018年出現(xiàn)在高考試題后，考查呈逐年遞增的趨勢，其中尤為突出的是2021年。深入研究發(fā)現(xiàn)，2018、2019年有三份試題涉及催化劑素材，但僅有一份呈現(xiàn)了反應(yīng)歷程圖。2020 年此類素材重點(diǎn)以經(jīng)典的催化循環(huán)機(jī)理圖的形式呈現(xiàn)，2021年催化機(jī)理素材迅速發(fā)展為當(dāng)年高頻熱點(diǎn)題型，在六份試題中均有考查。2022年依然延續(xù)催化循環(huán)機(jī)理熱點(diǎn)題型，有三份試題涉及。

四、催化劑素材的熱點(diǎn)題型及復(fù)習(xí)策略

1.抽提信息呈現(xiàn)方式，剖析信息內(nèi)涵

2018年北京卷首次出現(xiàn)了催化機(jī)理（見例1）。其圖像呈現(xiàn)了相關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)參與催化過程的示意圖，圖像融合了物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化及能量變化的雙重信息，而對催化劑參與過程僅圖示了“催化劑”“過渡態(tài)”等信息，未呈現(xiàn)催化劑的具體結(jié)構(gòu)及其反應(yīng)歷程。例1是對催化劑素材考查的開創(chuàng)性嘗試，后期逐漸豐富完善。由表3統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，此類素材有兩種經(jīng)典的信息呈現(xiàn)方式:催化劑參與循環(huán)的機(jī)理圖和反應(yīng)歷程圖。其中2021年湖南試題同時(shí)呈現(xiàn)了兩大信息（見例2）。

例1.【2018 年北京卷第7 題】我國科研人員提出了由CO2和CH4轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品CH3COOH 的催化反應(yīng)歷程。該歷程如圖所示（見圖1）。下列說法不正確的是（）。

A.生成CH3COOH總反應(yīng)的原子利用率為100%

B.CH4→CH3COOH過程中，有C-H鍵發(fā)生斷裂

C.①→②放出能量并形成了C-C鍵

D.該催化劑可有效提高反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率

例2.【2021 年湖南卷第14 題】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)理和相對能量的變化情況如圖所示（見圖2），下列說法錯(cuò)誤是（）。

B.H+濃度過大或者過小，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.該過程的總反應(yīng)速率由Ⅱ→Ⅲ步驟決定

對表3相關(guān)試題（共19套）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出兩種信息呈現(xiàn)方式出現(xiàn)頻次（詳見表4）。

表4 2018-2022年試題中兩種信息的考查頻次

2.聚焦設(shè)問角度，建構(gòu)思維模型

由表4可知，此類試題蘊(yùn)含豐富的素養(yǎng)，為全國各地高頻熱點(diǎn)題型，在復(fù)習(xí)備考中該如何破解此類題型，實(shí)施精準(zhǔn)教學(xué)呢？我們要著力研究試題的設(shè)問特點(diǎn)并提煉思維模型。

（1）反應(yīng)歷程圖

例3.【2019年全國Ⅰ卷第28題，節(jié)選】我國學(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3所示，其中吸附在金催化劑表面上的物種用*標(biāo)注。

圖3 水煤氣變換反應(yīng)歷程示意圖

可知水煤氣變換的ΔH____0（填“大于”“等于”或“小于”），該歷程中最大能壘（活化能）E正=_____eV，寫出該步驟的化學(xué)方程式____________________。

例，其反應(yīng)歷程的認(rèn)知模型如圖4所示。結(jié)合相關(guān)物質(zhì)的相對能量，進(jìn)而繪制出反應(yīng)歷程圖。圖中信息主要追蹤了歷程中的化學(xué)物種（分子、自由基等）的形態(tài)變化及能量變化，試題一般設(shè)問模式為:宏觀表征總反應(yīng)的焓變、過程中的決速步（或最大能壘），微觀推導(dǎo)某步驟反應(yīng)等。注意解讀歷程中由物質(zhì)吸附或脫附所帶來的能量變化，相關(guān)步驟甚至有可能是總反應(yīng)的決速步，如在新課標(biāo)魯科版在介紹合成氨的催化歷程中明確提出:第一步（氮的吸附分解）所需活化能最高，是控制反應(yīng)的關(guān)鍵步驟。［11］

圖4 反應(yīng)歷程的認(rèn)知模型

（2）催化循環(huán)機(jī)理圖

由例2可知，此類試題的構(gòu)建模式為:以某配合物催化劑參與整個(gè)循環(huán)過程機(jī)理圖的方式呈現(xiàn)，圖中側(cè)重體現(xiàn)配合物催化劑結(jié)構(gòu)變化及過程中的反應(yīng)物、生成物、中間體等相關(guān)信息。對表2 中7 份相關(guān)試題進(jìn)行深度剖析，結(jié)合新課程標(biāo)準(zhǔn)，歸納出其設(shè)問模式及對應(yīng)考查的素養(yǎng)水平（見表5）。

表5 常見設(shè)問角度及素養(yǎng)水平

對于設(shè)問（1）至（4）較基礎(chǔ)，素養(yǎng)水平較低，仔細(xì)審題即可破解；相對較復(fù)雜的設(shè)問（6），要點(diǎn)在于建構(gòu)理解的思維模型，現(xiàn)以2020年江蘇第20題為例（例4）進(jìn)行思維建模。

例4.【2020 年江蘇第20 題，節(jié)選】HCOOH 催化釋氫。在催化劑作用下，HCOOH 分解生成CO2和H2可能的反應(yīng)機(jī)理如圖5所示。

圖5 催化HCOOH分解制H2機(jī)理

圖6 催化HCOOH分解制H2思維模型

①HCOOD 催化釋氫反應(yīng)除生成CO2外，還生成_____（填化學(xué)式）。

②研究發(fā)現(xiàn):其他條件不變時(shí)，以HCOOK 溶液代替HCOOH 催化釋氫的效果更佳，其具體優(yōu)點(diǎn)是__________________________。

模型建構(gòu)如下:

思維模型建構(gòu)過程要關(guān)注轉(zhuǎn)化歷程中相關(guān)粒子所帶電荷，陰離子（如HCOO-、H-）能對中心原子（或離子）進(jìn)行配位，過程中的H+（提供空軌道）與提供電子對的原子（如上題中的N 原子）形成配位鍵。科學(xué)家對不同催化劑催化HCOOH 分解制H2的研究特別多，此素材在2021年湖南試題中有非常經(jīng)典的呈現(xiàn)。

五、結(jié)語

催化劑技術(shù)的更新對人類發(fā)展貢獻(xiàn)巨大，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，尤其是在環(huán)境保護(hù)和新能源開發(fā)方面顯示出獨(dú)特的價(jià)值。催化劑的研究與開發(fā)成了當(dāng)前化學(xué)研究的熱點(diǎn)，成果不斷涌現(xiàn)。與舊課標(biāo)相比，新課標(biāo)增加對催化劑微觀機(jī)理的要求。選擇催化劑領(lǐng)域的最新研究成果作為高考試題的情境素材，既能彰顯化學(xué)學(xué)習(xí)的價(jià)值追求，啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，又能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、厚植學(xué)生的責(zé)任意識。

在備考中我們要秉承“試題聚焦的是素養(yǎng)，變化的是情境，不變的是知識”的原則，深刻理解催化過程中的反應(yīng)歷程和循環(huán)催化機(jī)理，建構(gòu)認(rèn)知模型，不斷提升學(xué)生對催化劑的學(xué)科理解水平。