对催化剂认识的几点误区及相关考点在高考题中的渗透

曾琦茹

在高三的第一轮复习中,关于“化学反应速率和限度”的日常学习,常常会出现以下场景.

场景1

师问:催化剂有什么作用?

学生回答:提高化学反应速率．

师问:催化剂是如何提高化学反应速率的?

学生回答:催化剂能降低化学反应的活化能．

师又问:催化剂是如何降低化学反应的活化能的?

学生沉默……

师再问:催化剂参与反应了吗?

学生异口同声:没有．

我们可以看到,即使到了高三,学生对催化剂是否参与反应的认识还是模糊的,对催化剂降低反应活化能原理的认识更是只知其然而不知其所以然．分析造成学生多数认为催化剂不参与反应的原因有:1)学生在初中学习氧气的实验室制法时接触到了MnO2这种催化剂,但是初中化学教学并不讨论催化剂加快化学反应速率的原因,而是只强调催化剂的定义——“催化剂在反应前后质量和性质没有发生变化”和它的作用——“加快化学反应的速率”．所以学生就根深蒂固地认为反应前后催化剂的质量和性质没有发生变化即为“不参与反应”．2)在高中学习化学反应速率和限度中,两处涉及催化剂．第一处是《必修2》第二章第三节实验2-6,在该实验中,学生观察到MnO2、FeCl3均可以提高H2O2分解的反应速率,从而让学生认识到催化剂不仅可以加快反应速率,而且不同的催化剂对同一反应的催化效果也是不同的．第二处是在《选修4》第二章第二节实验2-4中,该实验也是MnO2催化分解H2O2,但不同的是此处是在高一认知的基础上,通过MnO2能加快H2O2的分解速率,进一步强调催化剂之所以能加快反应速率,是因为它能改变反应的路径,使发生反应所需的活化能降低．而在此,学生能认识到的是催化剂能改变反应的途径——降低活化能,但为什么能降低活化能却没有深究，因此导致学生对催化剂的认识较为肤浅．在高等教育出版社出版的大学《无机化学》中引入了过渡态理论．过渡态理论认为,化学反应并不是通过反应物分子的简单碰撞就能完成的,而是从反应物到生成物的过程中经过一种高能量的过渡态,处于过渡态的分子叫活化络合物．活化络合物是一种高能量的不稳定的反应物原子组合体,它能较快地分解为新的能量较低、较稳定的生成物．过渡态理论认为,催化剂加快反应速率的原因是形成了反应的途径,对大多数反应而言,主要是形成了活化络合物而降低了活化能．在高考题中对这一理论也有很好的体现．

例如，2018年北京卷选择题第二题中涉及我国科研人员提出的由CO2和CH4转化为高附加值产品CH3COOH的催化反应历程．该历程示意图如下．

图1

在该题目中,通过催化反应历程的示意图,可以看出CH4和CO2并不是直接反应就生成了CH3COOH,而是CH4先在催化剂表面上断键形成—CH3和活性H原子,再由—CH3与CO2形成过渡态物质,最后过渡态物质夺走附着在催化剂上的H原子形成CH3COOH,整个过程中催化剂并没有改变组成、结构,但参与了生成过渡态物质的反应．

场景2

师问:催化剂能提高化学反应速率,也能提高反应物的转化率吗?

学生回答:不能.

师问:催化剂不能提高反应物的转化率,那么能改变产物的产率吗?

学生回答:能.

师追问:转化率和产率是一致的吗?转化率不变则产率也不变吗?

学生静默……

学生通过前面的学习,基本上知道了催化剂是如何改变化学反应速率的，但是对于催化剂能否改变反应物的转化率和生成物的产率,是学生认识的另一盲区．学生在初中就知道催化剂具有“专一性、高效性、选择性”等性质,“专一性”是指一种催化剂的催化作用只对某个或某些反应有效,“高效性”是指催化剂对反应速率的影响是非常显著的,但对催化剂的“选择性”认识却不甚了解．通过查阅文献,在高中阶段认识到的催化剂一般是多相催化,即气体反应物吸附在催化剂载体上使反应物分子活化,降低反应的活化能,从而提高反应速率．高中阶段一般认为催化剂只改变反应速率,而不改变转化率．但对于在给定条件下,反应物之间能同时进行多个反应时,则催化剂可体现它的选择性．选择合适的催化剂可以抑制副反应的进行,大幅度提高目标产物在最终产物中的含量,即目标产物的产率．

例如，2019年江苏卷第20题：CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2转化方法,其过程中主要发生下列反应:

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

反应Ⅱ:2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(g)ΔH=-122.5kJ·mol-1.

在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下,CO2平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图2所示．

图2

本题第(3)小题第②问:220 ℃时,在催化剂作用下CO2与H2反应一段时间后,测得CH3OCH3的选择性为48%(图2中A点),不改变反应时间和温度,一定能提高CH3OCH3选择性的措施有哪些?学生返回题干信息,从题干信息可以获悉反应Ⅰ和反应Ⅱ是两个并列的反应,其中CH3OCH3是目标产物,则生成CO的反应为副反应．从问题上看是要求学生知道有利于反应Ⅱ进行的方法.从方程式的化学计量数上看,反应Ⅰ为前后体积不变的反应,而反应Ⅱ为气体体积减小的反应,所以可想到改变压强有效．或者可以从催化剂的选择性考虑选择合适的催化剂,所以该题答案为“加压或加有利于反应Ⅱ进行的催化剂”．

再如,2018年全国卷Ⅱ第27题第(2)小问:反应中催化剂活性会因积碳反应而降低,同时存在的消碳反应使积碳量减少．相关数据如表1所示.

表1

由上表判断,催化剂X________Y(填“优于”或“劣于”),理由是________________．

该题需要先判断催化剂的优劣,然后选择有利于消碳反应的合适催化剂．要解决该题目,学生要知道,催化剂能改变活化能,而活化能的高低决定了反应的难易程度．活化能越高说明反应越不容易,反应速率越慢．所以选择合适的催化剂需要选择积碳反应的活化能尽量高,而消碳反应的活化能尽量低的催化剂,所以答案为X劣于Y．

高考真题对高中日常学习有很强的指导性和引领性．教育部发布的《中国高考评价体系》中提出的“一核”“四层”“四翼”充分诠释了高考为什么考、考什么、怎么考的问题．通过对高考真题的研究,我们可以在一定程度上了解命题人的意图，如重视必备知识的考查,注重关键能力的考查等．近几年高考题的考点也在不断地转换和转变,对催化剂的认识深度在不断加深,试题更加注重它对反应历程的影响,更加注重不同的催化剂对反应速率的影响,更加注重催化剂的选择性对主反应产率的影响．通过对高考真题的研究,学生可以发现日常学习中的不足.在平常的学习中我们不能为做题而做题,应该更加注重化学学科核心知识的认知建构,让自己更多地从本质上去认清问题,弥补在认知过程中的误区,才能游刃有余地去解决生产生活中的实际问题．