催化剂在高考试题中的考查

湖南 周伟华

《普通高中化学课程标准》(2017年版)中与催化剂有关的描述多达19处，多个模块提及，课程标准指出：知道化学反应是有历程的，知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义。近年来多套试题涉及催化剂的考查，体现了当前高考对催化剂问题的关注。

一、催化剂及催化机理

1902年奥斯特瓦尔德(F.W.Ostwald)将催化定义为“加速化学反应而不影响化学平衡的作用”，国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)于1981年提出了定义：催化剂是一种改变反应速率但不改变反应总标准吉布斯自由能的物质。

催化剂是能加快化学反应速率而在反应前后本身的质量和化学性质均不变的物质。由于催化剂的质量和化学性质在反应前后均不变，循环催化反应历程中既包含有催化剂参与的反应，又包括使催化剂再生的反应。

催化剂能加快化学反应速率，本质原因是因为它能改变反应的途径，使反应所需的活化能降低，从而使反应物中活化分子百分数提高，有效碰撞几率增大，提高了化学反应速率。催化剂虽然能加快反应速率，但是不能改变反应的焓变，也不改变平衡的移动。

二、催化剂循环催化机理在高考试题中的考查角度及解析考查一 催化原理涉及的反应方程式以及实验设计

2016年北京卷27题涉及催化剂循环催化机理及相关实验设计，2018年北京卷第27题亦如此，保持了试卷的稳定性和探究性。

例1.[2016·北京卷·27题·节选]以废旧铅酸电池中的含铅废料(Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等)和H2SO4为原料，制备高纯PbO，实现铅的再生利用。其工作流程如图1所示：

图1

(1)过程Ⅰ中，在Fe2+催化下，Pb和PbO2反应生成PbSO4的化学方程式是。

(2)过程Ⅰ中，Fe2+催化过程可表示为

ⅱ.……

①写出ⅱ的离子方程式：________。

②下列实验方案可证实上述催化过程。将实验方案补充完整。

a．向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液几乎无色，再加入少量PbO2，溶液变红。

b．________。

考查二识别图示、方程式中的催化剂、催化产物

追溯到2008年广东卷第24题，2018年全国卷Ⅱ第8题、海南卷第12题，2017年江苏卷第18题，2014年全国卷Ⅰ第9题均涉及识别图示或方程式中的催化剂，或辨析某个物质是否为催化剂。

例2．[2017年·江苏卷·18·节选]碱式氯化铜是重要的无机杀菌剂。

(1)碱式氯化铜有多种制备方法

图2

②方法2：先制得CuCl2，再与石灰乳反应生成碱式氯化铜。Cu与稀盐酸在持续通入空气的条件下反应生成CuCl2，Fe3+对该反应有催化作用，其催化原理如图2所示。M'的化学式为。

【答案】Fe2+

【启示】将物质制备过程中涉及的主要物质间的变化情况用图示或方程式等形式呈现给学生，考查学生观察能力、信息获取能力、推理分析能力及对氧化还原反应等方面的掌握情况。判断催化剂在图示或多步方程式中的位置是解题的关键之一。

考查三催化剂与反应过程中能量变化、速率变化、平衡移动等方面的关系

1.能引起的变化：

催化剂能加快反应速率、缩短到达平衡的时间、提高反应的效率、降低反应活化能等。

2.不能引起的变化：

催化剂不能改变平衡移动、平衡常数K、平衡转化率、焓变ΔH等。

例3.[2018·北京卷·7]我国科研人员提出了由CO2和CH4转化为高附加值产品CH3COOH的催化反应历程。该历程如图3所示。

图3

下列说法不正确的是( )

A．生成CH3COOH总反应的原子利用率为100%

D．该催化剂可有效提高反应物的平衡转化率

【答案】D

例4．[2015年·重庆卷·11·节选]我国古代青铜器工艺精湛，有很高的艺术价值和历史价值，但出土的青铜器因受到环境腐蚀，欲对其进行修复和防护具有重要意义。

研究发现，腐蚀严重的青铜器表面大都存在CuCl。关于CuCl在青铜器腐蚀过程中的催化作用，下列叙述正确的是。

A．降低了反应的活化能

B．增大了反应的速率

C．降低了反应的焓变

D．增大了反应的平衡常数

【答案】AB

例5．[2014年·海南卷·8]某反应过程能量变化如图所示，下列说法正确的是

( )

A．反应过程a有催化剂参与

B．该反应为放热反应，热效应等于ΔH

C．改变催化剂，不能改变该反应的活化能

D．有催化剂条件下，反应的活化能等于E1+E2

图4

【解析】A选项，有催化剂参与的反应的活化能比无催化剂时反应的活化能有所降低，从而加快了反应速率，因此过程a没有催化剂参与，过程b有催化剂参与；B选项，从总能量变化角度可判断该反应为放热反应，热效应等于ΔH；C选项,改变催化剂，能改变该反应的活化能；D选项，由图可知，反应的活化能应等于E1。

【答案】B

【启示】催化剂通过降低反应的活化能来加快反应速率，但是不能改变反应的焓变，不改变平衡的移动。有催化剂参与的反应过程——能量示意图通常会出现两个波峰，而不是教材中的一个波峰，能纠正并促进学生对催化剂催化机理的认识。

考查四催化剂的选择性、催化效果比较

催化剂的选择性是催化剂的重要性质之一,指在能发生多个反应的反应体系中，某种催化剂在一定条件下只对其中某一反应起催化作用的性能。催化剂的选择性受反应条件、催化剂形态等因素的影响。

催化剂的选择性在工业上具有特殊作用,可以利用选择性使原料向制定的方向转化，减少副反应。对某一反应而言，催化剂也并非一种，往往有多种，不同的催化剂催化效果不同。

由于最慢的一步反应对总反应速率起决定作用，所以，催化剂通常通过催化其中的慢反应表示出来，且催化剂的浓度越大，反应速率越快。

例6.[2018·全国卷Ⅱ·27·节选]CH4—CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO和H2)，还对温室气体的减排具有重要意义。回答下列问题：

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则使积碳量减少。相关数据如表1：

表1

由表1判断，催化剂X(填“优于”或“劣于”)Y，理由是__________。

【解析】首先，我们要抓住题干关键信息：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则使积碳量减少推断出关键信息：积碳反应速率大，消碳反应速率小，对应的催化剂的催化性能劣于积碳反应。

【答案】劣于 相对催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小；而消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大

【启示】通常对于同一反应体系而言，使用催化剂能降低反应所需的活化能，所需的活化能越低，反应速率越快。由表格数据可知：相对于催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小；而消碳反应活化能小，消碳反应速率大。

例7．[2016·浙江卷·28·节选]催化还原CO2是解决温室效应及能源问题的重要手段之一。研究表明，在Cu/ZnO催化剂存在下，CO2和H2可发生两个平行反应，分别生成CH3OH和CO。反应的热化学方程式如下：

ΔH1=-53.7 kJ·mol-1Ⅰ

某实验室控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2，在相同压强下，经过相同反应时间测得如表2实验数据：

表2

【备注】Cat．1：Cu/ZnO纳米棒；Cat．2：Cu/ZnO纳米片；甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醛的百分比。

已知：①CO和H2的标准燃烧热分别为 -283.0 kJ·mol-1和-285.8 kJ·mol-1；

②H2O(l)=H2O(g) ΔH3=+44.0 kJ·mol-1。

请回答(不考虑温度对ΔH的影响)：

(1)反应Ⅰ的平衡常数表达式K=；反应Ⅱ的ΔH2=kJ·mol-1。

(2)有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有。

A．使用催化剂Cat.1

B．使用催化剂Cat.2

C．降低反应温度

D．投料比不变，增加反应物的浓度

E．增大CO2和H2的初始投料比

(3)表中实验数据表明，在相同温度下不同的催化剂对CO2转化成CH3OH的选择性有显著的影响，其原因是。

(4)在图5中分别画出Ⅰ在无催化剂、有Cat.1和有Cat.2三种情况下“反应过程 - 能量”示意图。

图5

【解析】本题我们将重点解析与催化剂相关的(3)、(4)：

(3)催化剂不改变平衡的移动，不改变平衡转化率，而表中数据转化率在相同条件下有区别，引起了学生认知冲突，要意识到此时反应未达到平衡，同时不同的催化剂对反应Ⅰ的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响。

(4)定位于催化剂的选择性，即某种催化剂只对某个特定的反应起催化作用，并不是对所有的反应都起催化作用。

不同的催化剂对反应Ⅰ的催化能力不同,由表格数据可知，相同温度下使用Cat.2反应Ⅰ甲醇选择性更高。据此可判断Cat.2催化效果更好，因此，Cat.2降低反应所需活化能程度更大。解题时还需要注意甲醇选择性与催化剂的选择性内涵不同。

(2)CD

(3)表中数据表明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应Ⅰ的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响

(4)

图6

三、结语

近年来高考化学关于催化剂内容的试题已由简单的概念判断转变为将定性问题定量化，结论问题过程化，宏观问题微观化等，通过图文、表格、流程、实验数据等多种信息呈现，注重对化学核心素养的考察，教学中要注意挖掘催化剂相关概念的内涵和外延，促进学生认识发展，建构知识体系，形成解题能力与化学素养，提高备考的针对性和有效性。