對催化劑認識的幾點誤區(qū)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(xiàn)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(shù)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(diào)催化劑的定義——“催化劑在反應前后質量和性質沒有發(fā)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(fā)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(jié)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(jié)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(diào)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(fā)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(tài)理論．過渡態(tài)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(jīng)過一種高能量的過渡態(tài),處于過渡態(tài)的分子叫活化絡合物．活化絡合物是一種高能量的不穩(wěn)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(wěn)定的生成物．過渡態(tài)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(shù)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(xiàn)．

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(chǎn)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(tài)物質,最后過渡態(tài)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(tài)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(chǎn)物的產(chǎn)率嗎?

學生回答:能.

師追問:轉化率和產(chǎn)率是一致的嗎?轉化率不變則產(chǎn)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(chǎn)率,是學生認識的另一盲區(qū)．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(xiàn)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(chǎn)物在最終產(chǎn)物中的含量,即目標產(chǎn)物的產(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(shù)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(shù)據(jù)如表1所示.

表1

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

該題需要先判斷催化劑的優(yōu)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(fā)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(chǎn)率的影響．通過對高考真題的研究,學生可以發(fā)現(xiàn)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(qū),才能游刃有余地去解決生產(chǎn)生活中的實際問題．