2022年高考化学二轮专题突破催化剂与反应机理的微观分析.pptx

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1、催化剂与反应机理的微观分析第一部曲第一部曲 1、高考命题探析、高考命题探析基于真实情境，基于真实情境，考查学生综合运用知识的能力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与化工生产关系密切的催化剂 ， 主要从反应历程主要从反应历程 、 活化能活化能 、 速率速率 、 平衡移动等，考平衡移动等，考查催化剂对反应的影响查催化剂对反应的影响 。 从试题形式上看从试题形式上看 ， 常常融合图像常常融合图像 、 表格等信息呈现形式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考查学生吸收和整合陌生信息的能力 。1.基元反应、过渡态理论及活化能基元反应、过渡态理论及活化能(1)基元

2、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，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。第一部曲第一部曲 2、要点归纳再提升、要点归纳再提升催化剂催化剂: :存在少量就能显著改变反应速率，反应结束时，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。其自身的质量、组成和化学性质基本不变的物质。 催化特点催化特点 ：2。催化剂与催化作用。

3、催化剂与催化作用高效性，可以大大地加快反应速率。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。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。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。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与活化能(1)催化剂的催化机理：催化剂的催化机理：催化剂参与化学反应催化剂参与化学反应，生成能量更低的中间产物，降，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

4、应的活化能。经常说的催化剂改变反应途径，降低反应的活化能。(3)催化反应一般过程催化反应一般过程(简化的过程简化的过程)：反应物扩散到催化剂表面；反应物扩散到催化剂表面；反应物被吸附在催化剂表面；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；被吸附的反应物发生化学反应生成产物；产物的解吸。产物的解吸。（2）催化剂能降低反应所需活化能，化学反应速率加快，但不影响焓变催化剂能降低反应所需活化能，化学反应速率加快，但不影响焓变H的的大小，不影响平衡大小，不影响平衡。如图所示：反应如图所示：反应A+BAB的活化能为的活化能为Ea，加入，加入催化剂催化剂K后，反应分两步进行后，反应分两步

5、进行:A+KAK 活化能为活化能为Ea1（慢反应）（慢反应）AK+BAB+K 活化能为活化能为Ea2(快反应快反应)1、加入催化剂后，两步反应的活化能、加入催化剂后，两步反应的活化能Eal和和Ea2均小于原反应的活化能均小于原反应的活化能Ea，因此反，因此反应速率加快。应速率加快。2、这两步反应：由于、这两步反应：由于Ea1Ea2，第，第1步反应是步反应是慢反应慢反应，是决定整个反应快慢的步骤，是决定整个反应快慢的步骤，称为称为“定速步骤定速步骤”或或“决速步骤决速步骤”，活化能，活化能Ea1大的就是在催化剂条件下总反应大的就是在催化剂条件下总反应的活化能。的活化能。总反应方程式： ，反应活化

6、能（能垒） 。EalA +BABK理解：催化剂如何影响化学反应催化剂如何影响化学反应 ？例如：例如： Cu Cu 催化乙醇的氧化反应：催化乙醇的氧化反应：2Cu + O2Cu + O2 2 =2C u O =2C u O；CHCH3 3CHCH2 2OH + CuO = CHOH + CuO = CH3 3CHO + Cu + HCHO + Cu + H2 2O O催化剂催化剂 Cu Cu 先参与反应后又重新生成，先参与反应后又重新生成，它经历了它经历了 Cu-CuO-Cu Cu-CuO-Cu 的变化历程。的变化历程。 例例 1 用用 NaCIO3、 H2O2 和稀硫酸制备和稀硫酸制备 CIO

7、2 ，反应开始时，反应开始时加入少量盐酸加入少量盐酸 ，CIO2 的生成速率大大提高的生成速率大大提高 ( CI- 对反应有催化作对反应有催化作用用 ) 。 该过程可能经两步反应完成该过程可能经两步反应完成 ， 将其补充完整将其补充完整 ： _（ 用离子方程式表示用离子方程式表示 ）；）； H2O2 + CI2 =2CI +O2 + 2H+解析：第步中解析：第步中 CI2 生成生成 CI, 可知催化制可知催化制 CI 的变化历程是的变化历程是: CI_CI2 CI, 即即 CI 在第步中变成在第步中变成 CI2 由由题给信息题给信息及及氧化还原氧化还原知识可知知识可知 ， 氧化剂是氧化剂是 C

8、IO3, 且且 CIO3反应后生成反应后生成CIO2 , 离子方程式离子方程式 ：2CIO3 + 2CI +4H+ =2CIO2 +CI2 + 2H2O01.催化剂与反应历程催化剂与反应历程例例 2. 在在 Cu/ZnO 催化剂存在下催化剂存在下 ， C02 和和 H2 可发生两个平行反应可发生两个平行反应 ： . CO2(g) + 3H2(g) = CH3OH(g) + H2O(g) ； .CO2(g) + H2(g) = CO(g) + H2O(g) 某实验室控制某实验室控制 C02 和和 H2 初始投料比为初始投料比为 1 : 2.2 , 在相同压强在相同压强下下 ，经过相同时间测得实验

9、数据如下表所示，经过相同时间测得实验数据如下表所示 。 在图中分别画出在图中分别画出反反应应 I 在无催化剂在无催化剂 、 有有 Cat.1和有和有 Cat.2 三种情况下三种情况下反应过程一能反应过程一能量量示意图示意图 02.催化剂与活化能催化剂与活化能 、 焓变焓变催化剂通过降低反应的活化能，从而加快反应速率催化剂通过降低反应的活化能，从而加快反应速率 。 催化剂的性能越好催化剂的性能越好 ， 反应的活化能越低反应的活化能越低 。反应过程 解析解析.据表中的数据可以算出生成据表中的数据可以算出生成 CH 3 OH 的的 CO2 占全部占全部 C02 的百分比的百分比 。 543K, Ca

10、t.1 作用下是作用下是 ：12.3%x42.3% = 5.20%, Cat.2 作用下是：作用下是：10.9%x72.7% = 7.92%。 所以所以 Cat.2 的的催化选择性要好于催化选择性要好于 Cat.1, 即在即在 Cat.2的作用下的作用下反应的活化能反应的活化能低低。反应过程能量 归纳小结归纳小结 ：作图注意：作图注意：催化剂不能改变反应物催化剂不能改变反应物 、 生成物的总能量生成物的总能量 、焓变，、焓变， 所以曲线的所以曲线的起点起点 、 终点终点应相同。应相同。例例3（2019全国全国I卷卷28）（3）我国学者结合实验与计我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了在金催化

11、剂表面上水煤气变换算机模拟结果，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反应历程，如图所示，其中吸附在金催化剂表面上的物种用的物种用小黑点小黑点标注。标注。02.催化剂与活化能催化剂与活化能 、 焓变焓变可知水煤气变换的可知水煤气变换的H_0（填（填“大于大于”“”“等于等于”或或“小于小于”），该历程中最大能垒（活化能），该历程中最大能垒（活化能）E正正=_eV，写出该步骤的化学方程式，写出该步骤的化学方程式_。 (1)(1)根据水煤气变换根据水煤气变换CO(g)+HCO(g)+H2 2O(g)=COO(g)=CO2 2(g)+H(g)+H2 2(g)

12、(g)并结合水煤气变换的反应历程相对能量可知，并结合水煤气变换的反应历程相对能量可知，CO(g)+HCO(g)+H2 2O(g)O(g)的能量（的能量（-0.32eV-0.32eV）高于高于COCO2 2(g)+H(g)+H2 2(g)(g)的能量（的能量（-0.83eV-0.83eV），故水煤气变换故水煤气变换的的H H小于小于0 0； （2 2）活化能活化能即即反应物状态达到活化状态所需能量。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：根据变换历程的相对能量可知，最大差值为：其最大其最大能垒（活化能）能垒（活化能） E E正正= = 1.86-(-0.16)eV

13、 1.86-(-0.16)eV = 2.02eV= 2.02eV；该步骤的反应物为：该步骤的反应物为：COOHCOOH* *+H+H* *+H+H2 2O O* *COOHCOOH* *+2H+2H* *+OH+OH* *；因反应前后因反应前后COOHCOOH* *和和1 1个个H H* *未发生改变，也可以表述成：未发生改变，也可以表述成：H H2 2O O* *H H* *+OH+OH* *；例例 4.密闭容器中发生反应密闭容器中发生反应 ： 2N0(g) + 2CO(g)=N2(g) + 2CO2(g) H 0 。 研究表明研究表明:在使用等质量同种催化剂时，增大催化在使用等质量同种催化

14、剂时，增大催化剂剂比表面积比表面积可提高可提高 反应速率反应速率 。 某同学设计了下表所示的三组实验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，请在图中画出三个实验中，NO 随时间变化的趋势随时间变化的趋势曲线曲线 ， 并标明编号。并标明编号。03.催化剂与反应速率催化剂与反应速率 、平衡移动、平衡移动催化剂催化剂能能加快反应速率加快反应速率， 缩短到达平衡所需时间缩短到达平衡所需时间。 催化剂的活性越好催化剂的活性越好 ， 所需时间越短所需时间越短 。 但催化剂不能使化学平衡发生移动但催化剂不能使化学平衡发生移动 。 解析解析：（：（1）先比较实验）先比较实验 、 ： 实验实

15、验 的催化剂比表面积大的催化剂比表面积大 ， 故实验故实验 的反应速率大的反应速率大 ； 因催化剂不影响平衡移动因催化剂不影响平衡移动 ， 故达到平衡后故达到平衡后 ， 实验实验 、 的的 c(NO) 相同相同 。 （2）再比较）再比较 、 ： 实验实验 的温度高的温度高 ， 故实验故实验 的反应速率大的反应速率大 ； 因温度升高因温度升高, 平衡左移平衡左移 ，故平，故平衡时衡时 dNO) 较大。较大。催化剂催化剂具有具有一定范围的活化温度一定范围的活化温度 ， 过高或过低过高或过低 ， 都会导致催化剂的都会导致催化剂的活性降低。活性降低。 如如生物催化剂酶生物催化剂酶 ， 对温度就非常敏感

16、对温度就非常敏感 。04.04.温度与催化剂活性温度与催化剂活性例例 5.（ 2017天津）天津） H2S 和和 SO2 会对环境和人体健康带来极大的危会对环境和人体健康带来极大的危害害 ， 工业上采取多种方法减少这些有害气体的排放生物脱工业上采取多种方法减少这些有害气体的排放生物脱 H2S 的原的原理为理为 H2S + Fe2(SO4)3 =S + 2FeSO4 + H2SO4 4FeSO4 + 02 + 2H2SO4 =2Fe2(SO4)3 + 2H2O硫杆菌存在时硫杆菌存在时 ， FeSO4 被氧化的速率是无菌时的被氧化的速率是无菌时的 5x105 倍倍 ，该菌的，该菌的作用是作用是_；

17、若反应温度过高若反应温度过高 ，反应速率下降，反应速率下降 ，其原因是，其原因是_；解析：解析：反应的催化剂；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。催化剂硫杆菌因蛋白质变性而失去了催化性能。 例例 6.向三颈烧瓶中加入一定量的向三颈烧瓶中加入一定量的 MnO2 和水和水 ， 搅拌搅拌 ， 通入通入 SO2 和和 N2 混合气体混合气体 ， 恒温下发生反应恒温下发生反应 ： MnO2 +H2SO3 =MnSO4 +H2O ；若将若将 N2换成空气换成空气 ， 测得测得 C(Mn2+ ) 、 C(SO42) 随时间随时间 t 的变化如图的变化如图所示所示 。 导致导致 C(Mn

18、2+ ) 、 C(SO42) 变化产生明显差异的原因是变化产生明显差异的原因是_；05.催化剂的来源问题催化剂的来源问题化学中有一类特殊反应化学中有一类特殊反应 ， 叫叫自催化反应自催化反应 ， 该类反应中的该类反应中的生成物对反应有催化作用生成物对反应有催化作用 。 它的特点之一它的特点之一是开始反应速率很小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随着起催化作用的产物的积累速率迅速增大 。解析：解析：由图可知由图可知 ， N2 换成空气换成空气发生了副反应发生了副反应 ： O2 + 2H2SO3=2H2SO4 表示表示 C(SO42) 的曲线斜率逐渐增大的曲线斜率逐渐增

19、大 ， 说明说明 SO42 的生的生成速率逐渐增大，成速率逐渐增大， 因反应物浓度因反应物浓度 、 压强压强 、 温度温度 、 接触面积等维持不变接触面积等维持不变 ， 所以导致所以导致 SO42 的生成速率加快的因素应是催化削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而且催化剂是某种生成物 ， 应是应是 Mn2+ 答案答案 Mn2+ 对：对： O2 + 2H2SO3=2H2SO4 的反应有催化作用的反应有催化作用 归纳小结归纳小结 ： 判断一个化学反应是否是自催化反应判断一个化学反应是否是自催化反应 ， 先要先要排除温度排除温度 、 浓度浓度 、 压强压强 、 接接触面积等触

20、面积等的影响的影响 ， 然后再分析是何种生成物具有催化作然后再分析是何种生成物具有催化作用。用。 06.催化剂催化剂 、 温度对平衡的综合影响温度对平衡的综合影响例例 6. NH3 催化还原氮氧化物技术是目前应用最广泛的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烟气脱氮技术 ： 4NH3(g) + 6NO(g) = 5N2(g) + 6H2O(g) H 0. 密闭容器中密闭容器中 ， 在相同时间内，在催化剂在相同时间内，在催化剂 A 作用下脱氮率随温度作用下脱氮率随温度变化如图所示变化如图所示 。 现改用现改用催化能力稍弱的催化剂催化能力稍弱的催化剂 B 进行实验，进行实验， 请在图中

21、画出在催化剂请在图中画出在催化剂 B 作用下的脱氮率随温度作用下的脱氮率随温度变化的曲线变化的曲线 (不考虑温度对催化剂活性的影响不考虑温度对催化剂活性的影响) 脱氮率解析：解析：(1) 先分析先分析催化剂催化剂 A 作用下的脱氧率为什么会先增大后减作用下的脱氧率为什么会先增大后减小小 ？ 低于低于300C 时时 ， 温度越高，反应速率越快，相同时温度越高，反应速率越快，相同时间内消耗的间内消耗的 NO 越多越多 ， 所以脱氮率增大；所以脱氮率增大；高于高于 300C 时时 ， 因为温度升高因为温度升高 ，平衡逆向移动，消耗的平衡逆向移动，消耗的 NO 减小，所以脱氮率下降。减小，所以脱氮率下

22、降。 (2)改用改用催化剂催化剂B，就涉及，就涉及催化剂和温度催化剂和温度两个变量：两个变量： B催催化下，随着温度的升高，化下，随着温度的升高， 脱策率也应先增大后减小；脱策率也应先增大后减小；达到曲线最高点之前，达到曲线最高点之前，B的催化能力弱，相同温的催化能力弱，相同温 度时的脱氛率要小于度时的脱氛率要小于 A，即所画曲线应在，即所画曲线应在 A 的下方。的下方。 B催化下在相同时间内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达到平衡，则曲线最高点应出现在高于300C 的位置。的位置。当当 A、B均达到平均达到平 衡后，平衡脱氮率只与温度有关，所以两条曲线重合。衡后，平衡脱

23、氮率只与温度有关，所以两条曲线重合。 概括整合概括整合I 催化剂通过参与化学反应，催化剂通过参与化学反应， 改变反应改变反应历程，历程， 从而降低活化能，加快反应速率，到达平衡从而降低活化能，加快反应速率，到达平衡所需的时间减少。所需的时间减少。 但催化剂不能改变焓变，但催化剂不能改变焓变， 也不能使平衡移动，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。表面积等。第一部曲第一部曲 有多少热点可以重来有多少热点可以重来2、要点归纳再提升、要点归纳再提升1.催化原理：改变反应路径，使反应所需的活化能降低。活化能是能量，活

24、化能催化原理：改变反应路径，使反应所需的活化能降低。活化能是能量，活化能高的反应难度大，反应速率慢。高的反应难度大，反应速率慢。添加催化剂能改变反应的路径添加催化剂能改变反应的路径, ,如乙醇的氧化实验如乙醇的氧化实验, ,该实验的总反该实验的总反应为应为2CH2CH3 3CHCH2 2OH+OOH+O2 22CH2CH3 3CHO+2HCHO+2H2 2O,O,活化能为活化能为E E总总; ;使用铜丝作催化剂使用铜丝作催化剂将一步反应改变为两步反应将一步反应改变为两步反应, ,第一步反应为第一步反应为2Cu+O2Cu+O2 2=2CuO,=2CuO,活化能为活化能为E E1 1; ;第二步反

25、应为第二步反应为CHCH3 3CHCH2 2OH+CuO OH+CuO CHCH3 3CHO+Cu+HCHO+Cu+H2 2O,O,活化能为活化能为E E2 2; ;由于由于E E1 1 E E总总、E E2 2E0,反应反应的的H0,温度升高使温度升高使CO2转化为转化为CO的的平衡转化率上升平衡转化率上升,使使CO2转化为转化为CH3OCH3的平衡转化率下降的平衡转化率下降,且上升幅度超过下降幅度且上升幅度超过下降幅度增大压强、使用对反应增大压强、使用对反应催化活性更高的催化剂催化活性更高的催化剂7.7.在密闭容器中充入在密闭容器中充入5 mol CO5 mol CO和和4 mol NO,

26、4 mol NO,发生反应发生反应2NO(g)+2CO(g) 2NO(g)+2CO(g) N N2 2(g)+2CO(g)+2CO2 2(g)(g)H H1 1=-746.5 kJmol =-746.5 kJmol -1-1, ,图图1 1为平衡时为平衡时NONO的体的体积分数与压强的关系。积分数与压强的关系。(1)(1)温度温度: :T T1 1_( (填填“ ”)”)T T2 2。(2)(2)若在若在D D点对反应容器升温的同时扩大体积使体系压强点对反应容器升温的同时扩大体积使体系压强减小减小, ,重新达到的平衡状态可能是图中重新达到的平衡状态可能是图中A A G G点中的点中的_点。点。

27、【解析解析】(1)(1)根据反应根据反应2CO(g)+2NO(g) N2CO(g)+2NO(g) N2 2(g)+2CO(g)+2CO2 2(g)(g)H H=-746.5 kJmol=-746.5 kJmol-1-1, ,升高温度升高温度, ,平衡逆向移动平衡逆向移动, ,所以所以NONO的体积分数会增大的体积分数会增大, ,即即T T1 1TT2 2。(2)(2)若在若在D D点对反应容器升温的同时扩大体积使体系压强减小点对反应容器升温的同时扩大体积使体系压强减小, ,则平衡会逆向移则平衡会逆向移动动,NO,NO的体积分数增加的体积分数增加, ,重新达到的平衡状态可能是图中重新达到的平衡状

28、态可能是图中A A点。点。 A A(3)(3)某研究小组探究催化剂对某研究小组探究催化剂对COCO、NONO转化的影响。将转化的影响。将NONO和和COCO以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应, ,相相同时间内测量逸出气体中同时间内测量逸出气体中NONO含量含量, ,从而确定尾气脱氮率从而确定尾气脱氮率( (脱氮率即脱氮率即NONO的转化率的转化率),),结果如图结果如图2 2所示。若低于所示。若低于200 200 ,图图2 2中曲线中曲线脱氮率随温度升高而变化不大的主要脱氮率随温度升高而变化不大的主要原因为原因为_;_;a a点点_(_(填填“是是

29、”或或“不是不是”) )对应温度下的平衡脱氮对应温度下的平衡脱氮率率, ,说明其理由说明其理由_。【解析解析 根据图象可知根据图象可知, ,温度较低时温度较低时, ,催化剂的活性偏低催化剂的活性偏低, ,因此温度低于因此温度低于200 ,200 ,曲线曲线脱氮率随温度升高变化不大脱氮率随温度升高变化不大;a;a点不是对应温度下的平衡脱氮率点不是对应温度下的平衡脱氮率, ,因为该因为该反应为放热反应反应为放热反应, ,根据曲线根据曲线可知可知,a,a点对应温度下的平衡脱氮率应该更高。点对应温度下的平衡脱氮率应该更高。温度较低时温度较低时, ,催化剂的活性偏低催化剂的活性偏低不是不是该反应为放热反应该反应为放热反应, ,根据曲线根据曲线可知可知,a,a点对应温度点对应温度下的平衡脱氮率应该更高下的平衡脱氮率应该更高D D