2022年高考化学高频考点催化剂与反应机理.pdf
2022年高考化学催化剂与反应机理第一部曲1、高考命题探析基于真实情境，考查学生综合运用知识的能力，与化工生产关系密切的催化剂，主要从反应历程、活化能、速率、平衡移动等，考查催化剂对反应的影响。从试题形式上看，常常融合图像、表格等信息呈现形式，考查学生吸收和整合陌生信息的能力。第一部曲2、要点归纳再提升L基元反应、过渡态理论及活化能(1)基元反应：研究发现，大多数化学反应并不是经过简单碰撞就能完成，往往要经过多个反应步骤才能实现。每一步反应都称为基元反应。(2)过渡态理论：过渡态理论认为，反应物分子并不只是通过简单碰撞直接形成产物,过渡态反应过程而是必须经过一个形成活化络合物的过渡状态，并且达到这个过渡状态需要一定的活化能。这与爬山类似，山的最高点便是过渡态。2 o 催化剂与催化作用催化剂:存在少量就能显著改变反应速率，反应结束时，其自身的质量、组成和化学性质基本不变的物质。催 化 特 点：高效性，可以大大地加快反应速率。选择性，反应不同，催化剂不同。同等程度地加快正、逆反应的速率。不能改变反应的可能性和平衡常数。3.催化剂与活化能催化剂的催化机理：催化剂参与化学反应，生成能量更低的中间产物，降低了达到过渡态所需要的活化能，使反应易于发生，速率加快。这就是我们经常说的催化剂改变反应途径，降低反应的活化能。(2)催化剂能降低反应所需活化能，化学反应速率加快，但不影响焰变AH的大小，不影响平衡。(3)催化反应一般过程(简化的过程)：反应物扩散到催化剂表面；反应物被吸附在催化剂表面；被吸附的反应物发生化学反应生成产物;产物的解吸。:少 我 如图所示：反应A+B-A B的活化能为Ea，加入 !/催化剂K后，反应分两步进行：咸L?.”塔、A+K-AK 活化能为Er（慢反应）A+B%AK+B-AB+K 活化能为Ea2（快反应）,生A RK-有 苏 总反应方程式：人+B-AB,理 解：-反 应 活 化 能（能垒）Eal O1、加入催化剂后，两步反应的活化能Eal和Ea2均小于原反应的活化能E a,因此反应速率加快。2、这两步反应：由于EaiEa2,第1步反应是慢反应，是决定整个反应快慢的步骤,称 为“定速步骤”或“决速步骤”，活化能Eal大的就是在催化剂条件下总反应的活化能。01.催化剂与反应历程催化剂如何髻响化学反应?例如：C u 催化乙醇的氧化反应:2Cu+02=2C u 0；CH3cH20H+CuO=CH3CHO+Cu+H20催 化 剂 C u 先参与反应后又重新生成，它经历了 Cu-CuO-Cu的变化历程。例 1 用 NaCIO3 H2O2和稀硫酸制备CIO2,反应开始时加入少量盐酸，ClO2的生成速率大大提高（CI-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：（用离子方程式表示）；H2O2+Cl2=2CI-+O2+2H+解析：第步中CI2生成CI-,可知催化制CI-的变化历程是：CI-CI2 ci-即ci-在第步中变成Cl2由题给信息及氧化还原知识可知，氧化剂是CIO3-且。3 反应后生成CIO2，离子方程式：2CIO3-+2CI-+4H+=2CIO2+CI2+2H2O02.催化剂与活化能、焰变催化剂通过降低反应的活化能，从而加快反应速率O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，C02和 H2可发生两个平行反应：I .C O2(g)+3H2(g)=A=C H3OH(g)+H2O(g)；II-CO2(g)+H2(g)=A=CO(g)+H2O(g)某实验室控制C02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”反应过程一能量”示意图冰)催化剂CO2转 睇()甲醇选择性():能量543Cat.112.342.3543Cat.210.972.7553Cat.115.339.1553Cat.212.071.6【备注】甲醇选择性：转化的。2中生成甲醇的百分比.反 观 建 程解析.据表中的数据可以算出生成CH 3O H的 CO2占全部C02的百分比。543K,Cat.1作用下是：12.3%x42.3%=5.20%,Cat.2作用下是：10.9%x72.7%=7.92%o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。归纳小结：作图注意：催化剂不能改变反应物、生成物的总能量、焰变，所以曲线的起 点、终点应相同。02.催化剂与活化能、焙变a柜招w迁例3(2019全国I卷28)(3)我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程，如图所示，其中吸附在金催化剂表面上的物种用小黑点标注。可知水煤气变换的皿_ 0(填“大于”“等于或“小于”)，该历程中最大能垒(活化能)=_ e V,写出该步骤的化学方程式(1)根据水煤气变换 C O (g)+H20(g)=C 02(g)+H2(g)并结合水煤气变换的反应历程相对能量可知，C O(g)+H2O(g)的能量(-0.3 2 e V)高于C 02(g)+H 2(g)的能量(-0.8 3 e V),故水煤气变换的(2)活化能即反应物状态达到活化状态所需能量。根据变换历程的相对能量可知，最大差值为：其最大能垒(活化能)斑二 1.8 6-(-0.16)e V =2.02 e V；该步骤的反应物为：C O O H*+H*+H2O*=C 00H*+2 H*+0H*；因反应前后C O O H*和1个H*未发生改变，也可以表述成:H2O*=H*+O H*；03.催化剂与反应速率、平衡移动催 化 剂 一 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 4.密闭容器中发生反应：2N0(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)AH 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，NO随时间变化的趋势曲线，并标明编号。解析：(1)先比较实验I、II：实验n 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、n的 c(NO)相同o(2)再比较n、n i：实验n i的温度高，故实验ni的反应速率大；因温度升高,平衡左移，故平衡时dNO)较大。实 验编 号rrc初始NO)/(moll,1)初始m/(mo 卜 L f比 表 面积I2801.20 x10-35.80 x10382n2801.20 x10-35.80 x10-3124in3501.20 xW35.80 x10-3124c(NO)004.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 5,(2017天 津)H2s和 SO?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+H2SO44FeSO4+02+2H2so4 =2Fe2(SO4)3+2H2O硫杆菌存在时，Fes。,被氧化的速率是无菌时的5x105倍，该菌的作用是；若 反 应 赢 过 高，反应速率下降，其原因是；解析：反应的催化剂；催化剂硫杆菌因蛋白质变性而失去了催化性能。05.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 6.向三颈烧瓶中加入一定量的MnOz和 水，搅 拌，通入SO?和N2混合气体，恒温下发生反应：MnO2+H2SO3=MnSO4+H2O；若将M 换成空气，测得C(Mn2+)、5SO42)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s o42-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S O42-的生成速率加快的因素应是催化削，而且催化剂是某种生成物，应是MM+答案M M+对：O2+2H2so3=2H2so4 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。06.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)A H0B.有催化剂时的活化能心比无催化剂时的活化能当低，能减小反应的A HC.催化加氢过程中金属氢化物的一个氢原子和双键碳原子先结合，得到中间体D.催化加氢过程中催化剂将较难发生的反应分成了多个容易发生的反应，可提高反应物的转化率4.MO是一种强温室气体，且易形成颗粒性污染物，研究NzO的分解对环境保护有重要意义。碘蒸气的存在能大幅度提高N 2 O的分解速率，反应历程为：第 一 步Mg)-21(g)(快反应)第二步 1(g)+N2O(g)-N2(g)+IO(g)(慢反应)第三步 IO(g)+N2O(g)-N2(g)+O2(g)+1(g)(快反应)实验表明，含碘时N z O的分解速率方程o=Ac(N 2 O),c 0 5(l2)(A为速率常数)。下列表述正确的是B D(填字母)oAL浓度与N 2。分解速率无关 B.第二步对总反应速率起决定作用C.第二步活化能比第三步小 D.IO为反应的中间产物5.某科研小组研究臭氧氧化-碱吸收法同时脱除S O 2和N 0工艺,氧化过程反应原理及反应热、活化能数据如下：反应 I :N O(g)+O3(g)N 02(g)+02(g)A4=-200.9 k J m o l T%=+3.2 k J m o b1反应 I I:S 02(g)+O 3(g)S 03(g)+02(g)A =-241.6 k J-m o l -2=+58 k J m o L已知该体系中臭氧发生分解反应：203(g)一3。2 (g)。请回答：其他条件不变，每次向容积为2 L 的反应器中充入含L 0 m o l N O、1.0 m o l S O 2的模拟烟气和2.0 m o l 0夕改变温度，反应相同时间方后体系中N O 和S O 2的转化率如图所示：(1)由图可知相同温度下N 0的转化率远高于S O 2,100结合题中数据分析其可能原因反应I的活化能小于反应n的活化能，相同条件下更易发生反应 soP(100,85)NO(2)下列说法正确的是(填字母)。A.P 点一定为平衡状态点 BCB.温度高于200 后,N 0和S O 2的转化率随温度升高显著下降,最后几乎为零C.其他条件不变,若缩小反应器的容积可提高N 0和S O?的转化率6040Q(100,30)20so2100 200温度代300400【解析】(1)反应I 的活化能小于反应n的活化能,相同条件下更易发生反应,因此相同温度下NO的转化率远高于s o?。(2)图中曲线属于描点法所得图象,P 点不一定为图象的最高点,即不一定为平衡状态点,可能是建立平衡过程中的一点,故A错误;根据图象,温度高于200 C后,203(g)-302(g)反应进行程度加大,体系中的臭氧浓度减小,N 0和S O 2的转化率随温度升高显著下降,当臭氧完全分解,则二者转化率几乎为零,故B正确;其他条件不变,若缩小反应器的容积,使得203(g)-3(V g)平衡逆向移动，臭氧浓度增大,则反应I ：N 0(g)+()3(g)一N 02(g)+02(g)和反应 I I:S 02(g)+03(g)一 S 03(g)+02(g)平衡正向移动,N O 和S O 2的转化率提高,故C正确。6.C()2催化加氢合成二甲醛是一种C()2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)层41.2 k J m o k1反应 I I:2C02(g)+6H2(g)=CH 30c H 3 (g)+3H20(g)A H=-122.5 k J*m o b1在恒压、CO?和坨的起始量一定的条件下,CO 2平衡转化率和平衡时CH 30c H 3的选择性随温度的变化如图。其中：C H 3 0 c H 3的选择性2 x C H 3 0 c H 3的物质的量1 00反应的CO?的物质的量 温度高于300,C()2平衡转化率随温度升高而上升的原因 是反应I的A H X),反应I I 的AHV0,温度升高使CO2转化为CO的平衡转化率上升，使CO2转化为CH30cH3的平衡转化率下降，且上升幅度超过下降幅度220 C 时,在催化剂作用下CO?与坨反应一段时间后,测得CH 30c H 3的选择性为48%(图中A点)。不改变反应时间和温度,一定能提高CH 3O CH 3选择性的措施有增大压强、使用对反应U 催化活性更高的催化剂【解析】反应I 为吸热反应,反应H为放热反应,当升高温度时,反应I 正向移动,CO 2的转化率上升，反应n逆向移动，生成CH 30c H 3的量变小。高于300 时，从图象看,C02的平衡转化率在生成CH 30c H 3的上方,说明CO 2的转化率的上升幅度超过下降幅度。反应n是体积减小的反应,所以可以通过加压使得平衡正向移动,或者加入有利于反应n进行的催化剂。7.在密闭容器中充入5 m o l C O 和4 m o l N O,发生反应2 N 0 (g)+2 C 0 (g)N2(g)+2 C 02(g)A 4=-7 4 6.5 k J积分数与压强的关系。(i)温度(填y或遇。(2)若在D 点对反应容器升温的同时扩大体积使体系压强减小，重新达到的平衡状态可能是图中A G 点中的人点 0 m o lToooO5432%、紧市奚起SON图1 为平衡时N O 的体0 10 20 30 40 50压强/MPa图1【解析】根据反应2 c o(g)+2 N 0(g)2(g)+2 C 02(g)A -7 4 6.5 k J m o l-i,升高温度,平衡逆向移动,所以N O 的体积分数会增大,即(2)若在D 点对反应容器升温的同时扩大体积使体系压强减小,则平衡会逆向移动,N 0 的体积分数增加,重新达到的平衡状态可能是图中A 点。（3）某研究小组探究催化剂对C O、N O 转化的影响。将N 0和C O 以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应,相同时间内测量逸出气体中N 0 含量,从而确定尾气脱氮率（脱氮率即N 0 的转化率），结果如图2 所示。若低于2 0 0,图2 中曲线I 脱氮率随温度升高而变化不大的主要原 因 为 一 温度较低时，催化剂的活性偏低a 点不是（填 是”或“不是”）对应温度下的平衡脱氮率，说明其理由ooO432%、树嘱震300 400 500 温度/七图2002该反应为放热反应,根据曲线H可知,a点对应温度。下的平衡脱氮率应该更高【解析 根据图象可知，温度较低时，催化剂的活性偏低，因此温度低于2 0 0 ,曲线I 脱氮率随温度升高变化不大;a 点不是对应温度下的平衡脱氮率,因为该反应为放热反应,根据曲线n可知,a 点对应温度下的平衡脱氮率应该更高。8.如图已知反应S 2 O r(a q)+2 r(a q)2 S O r(a q)+l 2(a q),若向该溶液中加入含 F e3+的某溶液，反应机理如下：“海捏2 F e3(a q)+2 I-(a q)=l 2 (a q)+2 F e2+(叫尸2 F e2-(a q)+S 2 O i (a q)=2 F e3+(a q)+2 S 0 F (a q j)下列有关该反应的说法不正确的是(D)*A.F e3+是该反应的催化剂GB.S 2 0 r (a q)+2(a q)02SO，(a q)+l 2(a q)是放热反应。C.加入F e3+后降低了该反应的活化能aD,向该溶液中滴加淀粉溶液，溶液变蓝，适当升温，蓝色加深”反应过程
