淺談從“必備知識”和“關鍵能力”構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及解題技巧，從解該類題型的必備知識出發，分析解該類題型需要學生具備的關鍵能力，構建該類題型的解題模型。

【關鍵詞】? 必備知識 關鍵能力 審題模型 解題模型

【中圖分類號】? G633.8? ?? ? ? ? ? ? 【文獻標識碼】? A ? ? 【文章編號】? 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，解題需要學生掌握的必備知識和具備的關鍵能力，構建常見考查方向的解題模型，以期幫助廣大同行構筑催化劑的考查解題模型。

一、催化劑循環機理的考查及其解題模型

近幾年在有些省份的高考真題中，催化劑的循環機理成為了高頻考點，考查循環催化劑機理過程中涉及方程式的書寫、主要產物的判斷等。

例：（2018年北京卷節選改編）近年來有研究人員提出利用含硫物質的循環實現太陽能的轉化與存儲，過程如下：

解析：對于催化劑循環催化機理的考查，學生只要基于循環機理的特點進行分析，即第一步反應是催化劑參與和中間產物生成的反應，第二步反應是中間產物參與和催化劑生成的反應，便可得知每一步反應的主要反應物和生成物。

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

可構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→結合情境和氧化還原反應原理分析每步反應的主要反應物和生成物→根據缺項配平思路書寫方程式或判斷產物。

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化學反應的催化能力。通常在高考題中，催化劑活性的考查主要通過實驗數據或者圖像等形式呈現，讓學生根據數據等分析催化劑的活性隨外界條件改變而呈現的變化。因此學生要能夠正確認識催化劑的活性與溫度等外界條件的關系，一般情況下催化劑的活性在一定溫度范圍內最大，溫度過低催化劑的活性低，溫度過高，催化劑可能會失去活性，學生只要基于這個必備知識，便可以對實驗溫度等作出選擇或者正確分析。

例：（2018年江蘇卷節選改編）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）是環境保護的重要課題。

在一定條件下，NH3和NOx在新型催化劑M的催化下反應生成N2。

現將O2、NH3和NOx按一定比例混合后，通入裝有催化劑M的反應器中反應，裝置如下圖所示。

反應在單位時間內氮的氧化物（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：此題學生只要基于催化劑的活性與溫度的關系進行分析，便可得知剛開始隨著溫度的升高，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;而當溫度過高時，催化劑的活性降低，但平衡依然向右移動，故NOx的去除率上升緩慢。

因此在涉及催化劑活性的考查中，學生需基于催化劑活性與溫度的關系，構建該類題型的解題模型：根據實驗數據或圖像變化→分析催化劑的活性溫度范圍→選擇反應溫度或進行理論分析。

三、催化劑的選擇、催化效果比較的考查及其解題模型

不同的催化劑對反應催化能力是不一樣的，近幾年在有些省份的高考題中，通常讓學生結合實驗數據對催化劑催化效果進行比較或者對反應的催化劑進行選擇，因此在復習中有必要讓學生認識化學反應速率與生產的關系，在催化劑的選擇或者催化效果的比較中，學生要基于化學反應速率、單位時間轉化率、抑制副反應等角度進行分析。

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

反應中存在的消碳反應和積碳反應，而催化劑的活性會因積碳反應而降低。相關數據如下表：

由該表數據分析催化劑X_______Y（填“優于”或“劣于”），理由是____________________________。

解析：催化劑的活性受積碳反應影響，因此關鍵點在于分析積碳反應和消碳反應的有利條件，根據表格數據分析可知在催化劑X作用下，積碳反應的活化能低，而消碳反應的活化能高，因此更有利于積碳反應的進行，故催化劑的活動性會降低。學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題上，學生要基于催化劑對化學反應速率快、單位時間轉化率高、抑制副反應等角度進行分析，構建該類題型的解題模型：反應速率快（單位時間內轉化率高）/抑制副反應→活化能小→催化劑催化效果好。

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

某實驗室控制在相同壓強、相同反應時間下，按CO2和H2初始投料比為1∶2.2進行的實驗數據如下表所示：

請畫出反應Ⅰ在有催化劑Cat.1和有催化劑Cat.2、無催化劑三種情況下“反應過程——能量”示意圖。

解析：由實驗數據可知，在催化劑Cat.2的催化下，甲醇的選擇性高，即反應I單位時間內CO2的轉化率高，因此可知催化劑Cat.2的催化效果比催化劑Cat.1好，反應的活化能小，基于此可以畫出如下“化學反應過程——能量”示意圖。

隨著新課程改革的深入推進，高考對催化劑的考查也由原來簡單的概念辨識轉變為定性、定量分析，轉變為宏觀辨識和微觀探析化，注重化學核心素養的真正落地，因此在復習的過程中，我們要充分梳理催化劑概念的內涵和外延，引導學生基于催化劑循環催化機理以及催化劑對化學反應影響的結果，構建知識體系，形成解題模型，提高學生解決陌生情境下真實化學問題的能力。

[ 參? 考? 文? 獻 ]

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