高中化学三年级理综快速提升之微专题一催化剂与活化能

微专题一催化剂与活化能
催化剂在高考试题中的呈现
以陌生反应为载体，以反应历程图、物质转化图、数据表格以及直接叙述的方式给出信息，以选择题或填空题形式考查催化剂及活化能的相关知识。

是高频考点，分值高、难度大、得分率低。

催化剂与活化能在近几年全国高考中考查统计
命题方向
为什么工业上热衷于催化剂人教版选修4-p4
化学反应理论模型
催化剂与反应速率一、催化剂如何影响反应速率
二、催化剂对反应速率影响有多大
结论：催化剂对反应速率影响远远大于温度对反应速率影响（催化剂高效性）工业上提高生产效率首选“催化剂”
三、单峰变双峰（化学选修4 p-22）
练习：
1、已知H2O2分解反应为：2H2O2=2H2O+O2。

在含少量I-的溶液中，H2O2分解机理为：
①．H2O2+I-═H2O+IO- △H>0 慢
②．△H>0 快
写出反应②离子反应方程式。

思维模型
催化剂参与反应历程，确定分反应或总反应方法
①判断催化剂和中间产物
②反应过程
反应物A+催化剂=中间产物
中间产物+反应物B=产物+催化剂
③配平，相加得总化学反应式
高考对催化剂考查新角度
一、催化剂判断与催化机理
2、（2017年江苏高考题-18）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,其催化原理如图所示。

M'的化学式为______。

/
3、（2016年北京高考题-27）
（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：
i：2Fe2++ PbO2+4H++SO42−2Fe3++PbSO4+2H2O
ii: ……
①写出ii的离子方程式：________________。

4、（2018年全国高考I卷-28）
（3）对于反应2N2O5(g)→4NO2(g)+O2(g)，R.A.Ogg提出如下反应历程：
第一步 N2O5NO2+NO3快速平衡
第二步 NO2+NO3→NO+NO2+O2慢反应
第三步 NO+NO3→2NO2快反应
其中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡。

下列表述正确的是_______（填标号)。

A．v(第一步的逆反应)＞v(第二步反应)
B．反应的中间产物只有NO3
C．第二步中NO2与NO3的碰撞仅部分有效
D．第三步反应活化能较高
5、（2018年北京高考题-2）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。

该历程示意图如下。

下列说法不正确
．．．的是
A. 生成CH3COOH总反应的原子利用率为100%
B. CH4→CH3COOH过程中，有C―H键发生断裂
C. ①→②放出能量并形成了C―C键
D. 该催化剂可有效提高反应物的平衡转化率
二、如何正确选择催化剂
6、（2016年全国II卷-27）
（1）以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈（C3H3N）和副产物丙烯醛（C3H4O）的热化学方程式如下：
①C3H6(g)+NH3(g)+ 3/2O2(g)=C3H3N(g)+3H2O(g) ΔH=-515kJ/mol
①C3H6(g)+ O2(g)=C3H4O(g)+H2O(g) ΔH=-353kJ/mol
提高丙烯腈反应选择性的关键因素是________。

7、（2018年全国高考卷II卷-27）
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：
（1）CH4-CO2催化重整反应为：CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g) ΔH=+247 kJ·mol−1
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。

相关数据如下表：
积碳反应
CH4(g)=C(s)+2H2(g)
消碳反应
CO2(g)+C(s)=2CO(g)
ΔH/(kJ·mol−1)75 172
活化能/(kJ·mol−1)催化剂X 33 91 催化剂Y 43 72
①由上表判断，催化剂X____Y（填“优于”或“劣于”），理由是_________________。

8、以二氧化钛表面覆盖Cu2Al2O4为催化剂，可以将CO2和CH4直接转化成乙酸。

CO2(g)+CH4(g)=CH3COOH(g) ΔH=+36.0KJ∙mol-1
在不同温度下乙酸的生成速率变化如图所示。

①当温度在250 ℃～300 ℃范围时，乙酸的生成速率减慢的主要原因是_________________________，当温度在300 ℃～400 ℃范围时，影响乙酸生成速率的主要因素是__________________________。

三、催化剂与温度的关系
9、（2016年全国II卷-27）
（1）以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈（C3H3N）和副产物丙烯醛（C3H4O）的热化学方程式如下：
①C3H6(g)+NH3(g)+ 3/2O2(g)=C3H3N(g)+3H2O(g) ΔH=-515kJ/mol
①C3H6(g)+ O2(g)=C3H4O(g)+H2O(g) ΔH=-353kJ/mol
（2）图（a）为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应温度为460℃。

低于460℃时，丙烯腈的产率________（填“是”或者“不是”）对应温度下的平衡产率，判断理由是________；高于460℃时，丙烯腈产率降低的可能原因是________（双选，填标号）
A．催化剂活性降低B．平衡常数变大C．副反应增多D．反应活化能增大
高考还可以怎样考？
一、催化剂与反应历程
[例1]用NaClO3、H2O2和稀硫酸制备ClO2。

反应开始时加入少量盐酸，ClO2的生成速率大大提高(Cl－对反应有催化作用)。

该过程可能经两步反应完成，将其补充完整：
①_______________________________________________(用离子方程式表示)；
②H2O2＋Cl2=2Cl－＋O2＋2H＋。

[解析] 第②步中Cl2生成Cl－，可知催化剂Cl－的变化历程是Cl－→Cl2→Cl－，即Cl－在第①步中变成Cl2。

由题给信息及氧化还原知识可知，氧化剂是ClO3-，且ClO3-反应后生成ClO2。

离子方程式：2ClO3-＋2Cl－＋4H＋=2ClO2↑＋Cl2↑＋2H2O。

[答案] 2ClO3-＋2Cl－＋4H＋=2ClO2↑＋Cl2↑＋2H2O。

二、催化剂与活化能、焓变
催化剂通过降低反应的活化能而加快反应速率。

而且催化剂的性能越好，反应的活化能越低。

[例2]在Cu/ZnO催化剂存在下，CO2和H2可发生两个平行反应：
CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g)Ⅰ
CO2(g)＋H2(g)⇌CO(g)＋H2O(g)Ⅱ
某实验室控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2，
在相同压强下，经过相同时间测得实验数据如下表所示。

在图中分别画出反应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。

[解析] 据表中的数据可以算出生成CH3OH的CO2占全部CO2的百分比。

543K，Cat.1作用下是12.3%×42.3%≈5.20%，Cat.2作用下是10.9%×72.7%＝7.92%。

所以Cat.2的催化选择性要好于Cat.1，即在Cat.2的作用下反应的活化能低。

[答案]
[归纳小结]作图时还要注意，催化剂不能改变反应物、生成物的总能量，所以曲线的起点、终点应相同。

也正是这个原因，所以催化剂不能改变反应的焓变。

三、催化剂与反应速率、平衡移动
催化剂能加快反应速率，缩短到达平衡所需时间。

催化剂的活性越好，所需时间越短。

但催化剂不能使化学平衡发生移动。

[例3]密闭容器中发生反应：
2NO(g)＋2CO(g)⇌N2(g)＋2CO2(g)ΔH＜0。

研究表明：在使用等质量同种催化剂时，增大催化剂比表面积可提高反应速率。

某同学设计了下表所示的三组实验。

请在图中画出三个实验中c(NO)随时间变化的趋势曲线，并标明实验编号。

[解析] 先比较实验Ⅰ、Ⅱ：实验Ⅱ的催化剂比表面积大，故实验Ⅱ的反应速率大；因催化剂不影响平衡移动，故达到平衡后，实验Ⅰ、Ⅱ的c(NO)相同。

再比较Ⅱ、Ⅲ：实验Ⅲ的温度高，故实验Ⅲ的反应速率大；因温度升高，平衡左移，故平衡时c(NO)较大。

[答案]
四、温度与催化剂活性
催化剂具有一定范围的活化温度，过高或过低，都会导致催化剂的活性降低。

如生物催化剂酶，对温度就非常敏感。

[例4](2017·高考天津卷节选)H2S和SO2会对环境和人体健康带来极大的危害，工业上采取多种方法减少这些有害气体的排放。

生物脱H2S的原理为：
H2S＋Fe2(SO4)3===S↓＋2FeSO4＋H2SO4
4FeSO4＋O2＋2H2SO4==2Fe2(SO4)3＋2H2O
硫杆菌存在时，FeSO4被氧化的速率是无菌时的5×105倍，该菌的作用是________。

若反应温度过高，反应速率下降，其原因是___________________________________。

[解析] 因为硫杆菌能显著加快反应速率，故它是反应的催化剂。

当反应温度过高时，硫杆菌会因蛋白质变性而失去了催化性能，反应速率明显下降。

[答案] 催化剂硫杆菌因蛋白质变性而失去了催化性能。

五、催化剂的来源问题
化学中有一类特殊反应，叫自催化反应，该类反应中的生成物对反应有催化作用。

它的特点之一是开始反应速率很小，随着起催化作用的产物的积累速率迅速增大。

[例5]向三颈烧瓶中加入一定量的MnO2和水，搅拌，通入SO2和N2混合气体，恒温下发生反应：MnO2＋H2SO3=MnSO4＋H2O。

若将N2换成空气，测得c(Mn2＋)、c(SO42-)随时间t的变化如图所示。

导致c(Mn2＋)、c(SO42-)变化产生明显差异的原因是
________________________________________________________________________。

[解析] 由图可知，“N2换成空气”发生了副反应：O2＋2H2SO3===2H2SO4。

表示c(SO42－)的曲线斜率逐渐增大，说明SO42－的生成速率逐渐增大。

因反应物浓度、压强、温度、接触面积等维持不变，所以导致SO42－的生成速率加快的因素应是催化剂，而且催化剂是某种生成物，应是Mn2＋。

[答案]Mn2＋对O2和H2SO3的反应有催化作用
[归纳小结]判断一个化学反应是否是自催化反应，先要排除温度、浓度、压强、接触面积等的影响，然后再分析是何种生成物具有催化作用。

六、催化剂、温度对平衡的综合影响
[例6]NH3催化还原氮氧化物技术是目前应用最广泛的烟气脱氮技术：4NH3(g)＋
6NO(g) ⇌ 5N2(g)＋6H2O(g)ΔH＜0。

密闭容器中，在相同时间内，在催化剂A作用下脱氮率随温度变化如图所示。

现改用催化能力稍弱的催化剂B进行实验，请在图中画出在催化剂B作用下的脱氮率随温度变化的曲线(不考虑温度对催化剂活性的影响)。

[解析] 先分析催化剂A作用下的脱氮率为什么会先增大后减小。

低于300 ℃时，温度越高，反应速率越快，相同时间内消耗的NO越多，所以脱氮率增大。

高于300 ℃时，因为温度升高，平衡逆向移动，消耗的NO减小，所以脱氮率下降。

改用催化剂B，就涉及催化剂和温度两个变量，在解题时要分别考虑。

①B催化下，随着温度的升高，脱氮率也应先增大后减小。

②达到曲线最高点之前，B的催化能力弱，相同温度时的脱氮率要小于A。

即所画曲线应在A的下方。

③B催化下在相同时间内达到平衡，则曲线最高点应出现在高于300 ℃的位置。

④当A、B均达到平衡后，平衡脱氮率只与温度有关，所以两条曲线重合。

[答案]
[概括整合]催化剂通过参与化学反应，改变反应历程，从而降低活化能，加快反应速率，到达平衡所需的时间减少。

但催化剂不能改变焓变，也不能使平衡移动。

催化剂的催化性能也会受外界条件的影响，如温度、表面积等。