例析与催化剂相关的六个考点

浙江 吴朝辉

2014年，国际纯粹与应用化学联合会定义催化剂：“增加反应速率但不改变总反应的标准吉布斯自由能的物质。催化剂既是反应的反应物，也是该反应的生成物。”简言之，催化剂能加快反应速率，但反应前后自身的质量与组成保持不变。

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，常常融合图象、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。

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(2017年4月浙江选考，改编)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)；

解决催化剂参与反应的反应历程问题，关键是要根据题给信息确定催化剂转化的中间产物。

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(2016年浙江高考，节选)在Cu/ZnO催化剂存在下，CO2和H2可发生两个平行反应：

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表1所示。在图1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。

表1

T(K)催化剂CO2转化率(%)甲醇选择性(%)543Cat.112.342.3543Cat.210.972.7553Cat.115.339.1553Cat.212.071.6

【备注】甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醇的百分比。

解析：据表1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。结果如图2所示。

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。

表2

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)Ⅰ2801.20×10-35.80×10-382Ⅱ2801.20×10-35.80×10-3124Ⅲ3501.20×10-35.80×10-3124

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。图象如图4。

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年天津，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

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。

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。

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

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℃。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。具体图象如图7所示。