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例析与催化剂相关的六个考点

来源:未知作者:化学自习室 点击:所属专题: 催化剂原理及应用
在基于真实情境考查学生综合运用知识的能力的考试理念引导下,与化工生产关系密切的催化剂备受青睐,成了热门考点。从考查的知识看,主要从反应历程、活化能、速率、平衡移动等角度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

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在基于真实情境考查学生综合运用知识的能力的考试理念引导下,与化工生产关系密切的催化剂备受青睐,成了热门考点。从考查的知识看,主要从反应历程、例析与催化剂相关的六个考点活化能、速率、平衡移动等角度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。

一、催化剂与反应历程

催化剂如何影响化学反应?有一个熟悉的例子:Cu催化乙醇的氧化反应。

2Cu+O2例析与催化剂相关的六个考点2CuO

CH3CH2OH+CuO 例析与催化剂相关的六个考点 CH3CHO+Cu+H2O

催化剂Cu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ClO,且ClO反应后生成ClO2。离子方程式:2ClO+2Cl+4H===2ClO2↑+Cl2↑+2H2O。

[答案] 2ClO+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。

T(K)
催化剂
CO2转化率(%)
甲醇选择性(%)
543
Cat.1
12.3
42.3
543
Cat.2
10.9
72.7
553
Cat.1
15.3
39.1
553
Cat.2
12.0
71.6

【备注】 甲醇选择性:转化的CO2中生成甲醇的百分比。

例析与催化剂相关的六个考点

[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]

例析与催化剂相关的六个考点

[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。

实验
编号
T/℃
初始c(NO)
/(mol·L-1)
初始c(CO)
/(mol·L-1)
比表面积
/(m2·g-1)
280
1.20×10-3
5.80×10-3
82
280
1.20×10-3
5.80×10-3
124
350
1.20×10-3
5.80×10-3
124

例析与催化剂相关的六个考点

[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] 

例析与催化剂相关的六个考点

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c(Mn2+)、c(SO42)随时间T的变化如图所示。导c(Mn2+)、c(SO42)变化产生明显差异的原因是______________________。

例析与催化剂相关的六个考点

[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SO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)。

例析与催化剂相关的六个考点

[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]

例析与催化剂相关的六个考点

[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。

(责任编辑:化学自习室)
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