分類釋疑近5年高考試題情境中的“催化劑”

陳麗娟 劉 帥 郭依婷

(廣東東莞市萬江中學(xué))

催化劑在眾多化學(xué)化工領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色.2021年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予“不對稱有機(jī)催化”領(lǐng)域,催化劑情境下的高考試題成為熱點(diǎn),近3年全國高考試卷多道試題中涉及催化劑相關(guān)知識(shí).高考試題既考查催化劑必備知識(shí),又考查基于深度理解解決真實(shí)情境下的綜合性問題的能力.本文通過整理近5年催化劑情境下的高考試題,以4類題型重構(gòu)對催化劑的系統(tǒng)認(rèn)識(shí),以提高催化劑專題的復(fù)習(xí)效率.

1 題型分類釋疑

1.1 催化機(jī)理循環(huán)(流程圖)

近5年高考試卷中多次考查了催化循環(huán)(如圖1)或流程圖(如圖2),主要設(shè)問包括判斷反應(yīng)物、生成物、催化劑、中間體、化學(xué)鍵斷裂與生成、化合價(jià)升降、化學(xué)反應(yīng)方程式是否合理等.解決此類問題的關(guān)鍵在于深度理解每一步反應(yīng)的斷鍵和成鍵機(jī)理以及電子轉(zhuǎn)移的方向和數(shù)目等.

圖1

圖2

例1(2023年湖南卷)N2H4是一種強(qiáng)還原性的高能物質(zhì),在航天、能源等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用.我國科學(xué)家合成的某Ru(Ⅱ)催化劑(用[L-Ru—NH3]＋表示)能高效電催化氧化NH3合成N2H4,其反應(yīng)機(jī)理如圖1所示.下列說法錯(cuò)誤的是( ).

A.Ru(Ⅱ)被氧化至Ru(Ⅲ)后,配體NH3失去質(zhì)子能力增強(qiáng)

B.M 中Ru的化合價(jià)為＋3

C.該過程有非極性鍵的形成

D.該過程的總反應(yīng)式:

例2(2023年全國新課標(biāo)卷)“肼合成酶”以其中的Fe2＋配合物為催化中心,可將NH2OH 與NH3轉(zhuǎn)化為肼(NH2NH2),其反應(yīng)歷程如圖2 所示.下列說法錯(cuò)誤的是( ).

A.NH2OH、NH3和H2O 均為極性分子

B.反應(yīng)涉及N—H、N—O 鍵斷裂和N—N 鍵生成

C.催化中心的Fe2＋被氧化為Fe3＋,后又被還原為Fe2＋

D.將 NH2OH替換為 ND2OD,反應(yīng)可得ND2ND2

圖3

由圖3可知,反應(yīng)①→②過程中NH2OH 中的氮原子與催化中心Fe2＋形成配位鍵后,催化中心Fe2＋失去電子被氧化成Fe3＋;反應(yīng)②→③過程中,NH2OH 中的氮原子得到電子形成—1價(jià)離子,N—O鍵均裂形成自由基;羥基自由基與氨氣發(fā)生自由基反應(yīng)(N—H 鍵斷裂),生成H2O;反應(yīng)③→④過程中,氮負(fù)離子與氨基自由基形成N—N 鍵,同時(shí)將電子轉(zhuǎn)移至催化中心,Fe3＋被還原為Fe2＋,選項(xiàng)B和C 說法正確.理解斷鍵機(jī)理,若將NH2OH 替換為ND2OD,·NH2將取代·OD,最終生成ND2NH2和HDO,選項(xiàng)D 說法錯(cuò)誤.答案為D.

1.2 催化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表/圖

近5年高考試卷中多次考查了真實(shí)情境中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或現(xiàn)象分析.催化劑問題必備知識(shí)包括催化劑具有選擇性,能通過降低該反應(yīng)的活化能,加快反應(yīng)速率,提高轉(zhuǎn)化率及相關(guān)產(chǎn)物的比例;催化劑不能改變平衡轉(zhuǎn)化率.試題綜合可逆反應(yīng)的平衡移動(dòng)、轉(zhuǎn)化率、平衡轉(zhuǎn)化率等相關(guān)問題,通過深度理解化學(xué)反應(yīng)原理,解決應(yīng)用性或創(chuàng)新性問題.

例3(2023年1月浙江卷,節(jié)選)“碳達(dá)峰”“碳中和”是我國社會(huì)發(fā)展重大戰(zhàn)略之一,CH4還原CO2是實(shí)現(xiàn)“雙碳”經(jīng)濟(jì)的有效途徑之一,相關(guān)的主要反應(yīng)有

Ⅰ:CO2(g)＋CH4(g)?2CO(g)＋2H2(g)ΔH1＝＋247kJ·mol—1,K1.

Ⅱ:CO2(g)＋H2(g)?CO(g)＋H2O(g)ΔH2＝＋41kJ·mol—1,K2.

CH4還原能力(R)可衡量CO2轉(zhuǎn)化效率,R＝Δn(CO2)/Δn(CH4)(同一時(shí)段內(nèi)CO2與CH4的物質(zhì)的量變化量之比).催化劑X 可提高R值,另一時(shí)段內(nèi)CH4的轉(zhuǎn)化率和R值隨溫度變化情況如表1所示.

表1

下列說法不正確的是_________(填字母).

A.R值提高是由于催化劑X 選擇性地提高反應(yīng)Ⅱ的速率

B.溫度越低,含氫產(chǎn)物中H2O 占比越高

C.溫度升高,CH4的轉(zhuǎn)化率增加,CO2的轉(zhuǎn)化率降低,R值減小

D.改變催化劑提高CH4的轉(zhuǎn)化率,R值不一定增大

利用催化劑選擇性加快反應(yīng)Ⅱ的速率,使同一時(shí)段內(nèi)ΔnⅡ(CO2)＞ΔnⅠ(CO2),可以提高R值,選項(xiàng)A 說法正確.由表1可知,在一定范圍內(nèi)降低溫度,反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ的速率均降低,因此CH4轉(zhuǎn)化率降低;R值增大是由于降溫使反應(yīng)Ⅰ速率降低得更多,同一時(shí)段內(nèi)ΔnⅡ(CO2)＞ΔnⅠ(CO2),即含氫產(chǎn)物中H2O 占比高,選項(xiàng)B說法正確.同理,因?yàn)榉磻?yīng)Ⅰ和Ⅱ都是吸熱反應(yīng),所以在一定范圍內(nèi)溫度升高,反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ的速率均提高,CH4和CO2轉(zhuǎn)化率均提高;R值減小是由于升溫使反應(yīng)Ⅰ速率提高得更多,同一時(shí)段內(nèi)ΔnⅡ(CO2)＜ΔnⅠ(CO2),選項(xiàng)C說法不正確.若改變催化劑提高CH4轉(zhuǎn)化率,即催化劑選擇性提高反應(yīng)Ⅰ的速率,則同一時(shí)段內(nèi)ΔnⅡ(CO2)＜ΔnⅠ(CO2),R值減小,選項(xiàng)D 說法正確.答案為C.

1.3 能量—反應(yīng)進(jìn)程圖

近5年高考試卷中多次考查了能量—反應(yīng)進(jìn)程圖(歷程圖).催化劑問題必備知識(shí)包括催化劑能降低活化能,加快反應(yīng)速率,使反應(yīng)更容易進(jìn)行;催化劑能改變反應(yīng)路徑,催化進(jìn)程分步進(jìn)行,但不影響始末狀態(tài)的相對能量.理解活化能、反應(yīng)歷程、基元反應(yīng)、決速步驟、競爭反應(yīng)等概念成為解決問題的關(guān)鍵.

例4(2021 年河北卷,節(jié)選)在電解質(zhì)水溶液中,3種不同催化劑(a、b、c)上CO2電還原為CO 的反應(yīng)進(jìn)程中(H＋被還原為H2的反應(yīng)可同時(shí)發(fā)生),相對能量變化如圖4、圖5所示.由此判斷,CO2電還原為CO 從易到難的順序?yàn)開________(用a、b、c字母排序).

圖4 CO2 電還原為CO

圖5 H＋電還原為H2

1.4 催化表面微觀機(jī)理圖

近5年高考試卷中多次考查了催化反應(yīng)微觀機(jī)理圖,主要考查學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析的化學(xué)素養(yǎng),準(zhǔn)確獲取微觀圖例信息的能力;通過理解催化劑吸附原理,利用電負(fù)性描述斷鍵機(jī)理,判斷催化中心元素化合價(jià)變化等.

例5(2022年遼寧卷,節(jié)選)工業(yè)合成氨是人類科學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重大突破,目前已有三位科學(xué)家因其獲得諾貝爾獎(jiǎng),其反應(yīng)為

針對反應(yīng)速率與平衡產(chǎn)率的矛盾,我國科學(xué)家提出了解決方案:雙溫—雙控—雙催化劑.使用Fe-TiO2—xHy雙催化劑,通過光輻射產(chǎn)生溫差(如體系溫度為495℃時(shí),Fe的溫度為547℃,而TiO2—xHy的溫度為415 ℃),如圖6所示.

圖6

下列說法正確的是( ).

A.氨氣在“冷Ti”表面生成,有利于提高氨的平衡產(chǎn)率

B.N≡N 在“熱Fe”表面斷裂,有利于提高合成氨反應(yīng)速率

C.“熱Fe”高于體系溫度,有利于提高氨的平衡產(chǎn)率

D.“冷Ti”低于體系溫度,有利于提高合成氨反應(yīng)速率

2 催化劑專題備考策略

教材簡要介紹了催化劑的概念、催化劑的活性、催化反應(yīng)的選擇性以及其改變活化能、改變反應(yīng)速率、不影響平衡移動(dòng)的結(jié)論.然而,催化劑相關(guān)高考試題多嵌于真實(shí)情境中,體現(xiàn)了高考試題的綜合性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性要求.教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),部分學(xué)生具有較強(qiáng)的教材知識(shí)再現(xiàn)能力,但由于缺乏學(xué)科理解的評(píng)析能力,故對于真實(shí)問題情境下的遷移性問題常感到無所適從.因此,相互兼顧、協(xié)調(diào)統(tǒng)一新授課與復(fù)習(xí)課的關(guān)系是高中化學(xué)專題備考的基本策略.高一和高二適度拓展催化劑陳述性知識(shí),減少“口訣套用”的機(jī)械訓(xùn)練.多維度表征化學(xué)相關(guān)名詞、原理或問題的來龍去脈,可以幫助學(xué)生形成認(rèn)識(shí)化學(xué)新世界的大概念視角.新授課適度增加基于預(yù)測的認(rèn)識(shí)過程,幫助學(xué)生從更多維度理解概念,讓學(xué)生能有機(jī)會(huì)調(diào)用必備知識(shí),遷移至真實(shí)情境,評(píng)價(jià)科學(xué)問題,有利于大腦“實(shí)現(xiàn)最佳學(xué)習(xí)”.

重整概念、深化理解的主題式高考試題分類釋疑是專題備考的基本策略.分類釋疑應(yīng)注重總結(jié)同類問題中的必備知識(shí),體會(huì)不同類問題中的關(guān)鍵能力,顯化需要遷移的知識(shí)內(nèi)容、試題的表現(xiàn)形式和答題的基本模式,體會(huì)高考評(píng)價(jià)體系背景下的考查內(nèi)容和要求.掌握催化劑相關(guān)問題的來龍去脈,才能調(diào)用“舊知識(shí)”,遷移“真情境”,不怕“新題型”.

(完)