运用模型认知突破“高考化学中的催化剂”

广东

周曼文

催化剂不仅是化学教材中一个重要的知识点和概念，更对当下的工业生产及生活有重大影响，这就说明了催化剂的作用将越来越大，催化剂的应用将越来越广泛。高考中有关“催化剂”考点所占的分量越来越大,尤其是近几年全国卷原理题几乎都考过，主要考点有“选用合适的催化剂”、“判断催化剂的效果”、“分析催化剂与中间产物的差别”和“催化剂对化学反应速率、化学平衡的影响”等。本文以2018全国卷Ⅱ和海南卷中“催化剂”考点为例，分析并归纳整理高考化学中与“催化剂”相关设问点，希望能为高三考生提供相应的备考策略。

一、典例考点分析

【典例1】(2018·全国卷Ⅱ·27·节选)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)75172活化能/(kJ·mol-1)催化剂X3391催化剂Y4372

①由上表判断，催化剂X________Y(填“优于”或“劣于”)，理由是___________________。

【答案】劣于

【解析】根据表中数据可知相对于催化剂X,催化剂Y积碳反应的活化能大速率小，而消碳反应活化能相对小,速率大提取出催化剂Y(积碳慢，消碳快)的信息。又根据题中信息“催化剂活性会因积碳反应而降低”，可以得出催化剂Y的活性高于X，所以催化剂X劣于Y。该题以信息的形式给出“催化剂活性的评价标准”，希望考生能通过数据，解读出活化能与反应速率的关系，进一步推理分析出催化剂优劣。真正落实了“模型认知与证据推理”的学科核心素养的培养。

【典例2】(2018·海南卷·节选)炭黑是雾霾中的重要颗粒物，研究发现它可以活化氧分子，生成活化氧，活化过程的能量变化模拟计算结果如右图所示。活化氧可以快速氧化二氧化硫。下列说法正确的是

( )

A.每活化一个氧分子吸收0.29 eV的能量

B.水可使氧分子活化反应的活化能降低0.42 eV

C.氧分子的活化是O—O的断裂与C—O键的生成过程

D.炭黑颗粒是大气中二氧化硫转化为三氧化硫的催化剂

【答案】CD

【解析】该题是通过“氧分子活化反应”过程的能量变化图，考查学生对反应热，活化能，化学反应本质和催化剂催化机理的理解。A项是从微观角度对反应热的另一种解读；B项是测查学生对活化能的正确理解；C项是从化学键的角度诠释“氧分子活化反应”的本质；D项是通过“催化剂催化机理”模型的测查，判断炭黑颗粒是大气中二氧化硫转化为三氧化硫的催化剂。真正落实了“宏观辨识与微观探析”的学科核心素养。

二、高考化学中与催化剂相关的设问点归纳

1.催化剂概念

催化剂是能改变化学反应速率而在反应前后本身的质量和化学性质不变的物质。

2.催化剂类型与中学化学中常见“催化剂”

从催化剂的组成，中学阶段涉及的常见催化剂分为金属单质、金属氧化物、酸、盐、酶及多组分催化剂这六类。如乙醇催化氧化中的铜丝或银丝，氯酸钾或高锰酸钾受热分解的二氧化锰，酯化反应中的浓硫酸，酯类水解反应中的稀硫酸，双氧水分解反应中的氯化铁、氯化铜溶液，多糖水解反应中的稀(浓)酸和酶，合成氨工业的铁触媒[主要成分是四氧化三铁(Fe3O4)，此外还包括助催化剂氧化钾(K2O)和载体氧化铝(Al2O3)等]。

从催化剂来源看，有些反应的催化剂是外界加入的，有些反应本身的反应物或产物对反应有催化作用(这类反应通常叫自催化反应)。

3.催化剂作用机理

由于理论上催化剂的质量和化学性质在反应前后不变，所以反应历程中必定既包含有催化剂参与的反应，又包含使催化剂再生的反应。

4.催化剂与活化能、速率快慢

催化剂通过参与反应历程、降低反应的活化能来提高化学反应速率。

5.催化剂的选择性

催化剂的一个重要特性是选择性。对于某一个具体的化学反应而言，催化剂并非只有一种，可能有多种，如氯酸钾分解的催化剂除了常见的二氧化锰之外，还有氧化铁、氧化铜、氧化镁等，只是不同的催化剂在同一反应中所表现出的催化活性有一定的差别；对于某一种催化剂来说，也并非只能催化一个反应，例如二氧化锰既可以催化氯酸钾分解，也可以催化双氧水分解。

6.影响催化剂活性的因素

催化剂之所以有“寿命”，是由于长期的反应条件和化学作用(如原料中的杂质、高温时的热作用等)会使催化剂发生不可逆的物理或化学变化，如晶相变化、晶粒分散度变化、组分流失等，导致催化剂失活，也称催化剂中毒。

7.催化剂的意义——催化剂对转化率、产率的影响

由于催化剂只改变速率，不影响平衡移动，所以催化剂不会影响平衡转化率、平衡产率，但在非平衡反应状态下，催化剂使反应速率加快，从而使转化率、产率升高；多反应体系中，催化剂选择性高，活性好的反应，转化率、产率相对要高些。

三、“催化剂”认知模型的构建与对点训练

1.催化剂与活化能(Ea)、速率快慢的关系

不同的理论对活化能的本质的解释不同。碰撞理论认为，只有发生碰撞的分子的能量等于或超过一定的能量Ec(可称为临界能)时，才可能发生有效碰撞。能量大于或等于Ec的分子称为活化分子。所以根据碰撞理论，活化能的本质是分子发生有效碰撞所需的最低能量Ec。过渡态理论认为，反应物分子变成生成物分子的过程中，要先经过一种过渡态——活化络合物。活化络合物分子的势能高于反应物分子的势能，两者的差值称势能垒Eb。所以，根据过渡态理论，活化能的本质是分子克服这个势能垒所需的最低能量。

【练习1】(2014·浙江卷·27·改编)

ΔH1=218.4 kJ·mol-1(反应Ⅰ)

假设某温度下，反应Ⅰ的速率(υ1)大于反应Ⅱ的速率(υ2)，则下列反应过程能量变化示意图正确的是________。

A

B

C

D

【答案】C

2.催化剂的选择性和活性

催化剂的选择性，指在反应物能发生多种反应时，同一催化剂对不同反应促进程度的差异。当反应物总量一定时，选择性好的催化剂对目标反应(主反应)的促进作用明显，对副反应促进作用不明显，大部分反应物经主反应转变为目标产物，副反应因为速率慢实际消耗的反应物较少，所以利用催化剂的选择性可大幅提高目标产物在最终产物中的比例。

催化剂的选择性和活性是两个最重要的性质，当活性与选择性不能同时满足时，应根据生产实际综合考虑。如果反应原料昂贵与副产物很难分离，最好选用高选择性催化剂；反之，如果原料价廉且与产物易于分离，则宜采用高活性(即有限时间内实现更高的转化率)的催化剂。(目标物质的产率=转化率×选择性)

【练习2】(2016·浙江卷·28·节选)某实验室控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2，在相同压强下，经过相同反应时间测得如下实验数据：

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】Cat.1：Cu/ZnO纳米棒；Cat.2：Cu/ZnO纳米片；甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醇的百分比。

(3)表中实验数据表明，在相同温度下不同的催化剂对CO2转化成CH3OH的选择性有显著的影响，其原因是______________________________。

(4)在下图中分别画出反应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。

【答案】(3)表中数据表明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应Ⅰ的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响。

(4)

3.催化剂活性与T、比表面积、pH的关系

影响催化剂活性的因素有很多方面，要想提高催化剂的活性就必须坚持具体问题，具体分析，针对不同的催化对象采取不同的措施，采取各种辅助办法(比如说加入辅助剂、改变催化剂的配制方法等)来提高催化剂的催化活性、产物纯度。已有实验证实：焙烧的温度过高或者过低都会使催化剂活性降低。温度过低不能够使催化剂达到反应所需的温度，而且活性也没有形成；温度过高会造成催化剂中的活性的成分相聚集，无法形成晶相结构，从而造成催化剂的活性降低；比表面积会影响活性碳的催化效果；溶液pH对生物酶的催化活性有严重影响。

【练习3】(2017·天津卷·10·节选)H2S的除去

方法1：生物脱H2S的原理为：

(1)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___________________。

(2)由图甲和图乙判断使用硫杆菌的最佳条件为____________________________。若反应温度过高，反应速率下降，其原因是___________________。

甲

乙

【答案】(1)降低反应活化能(或作催化剂)

(2)30℃、pH=2.0 蛋白质变性(或硫杆菌失去活性)

4.催化剂与转化率、产率之间的关系

许多同学一看到催化剂，就想到它不会影响平衡的移动，从而产率不变，这是把产率和转化率两个概念混淆了。高考试题中这两个概念是分得非常清楚的。前者一般表述为某物质的产率，或者会强调是某物质的平衡产率；后者通常是指某物质的平衡转化率。催化剂不会影响平衡的移动，是不会影响平衡转化率的，但是可以影响物质的产率。

化工生产上，反应常采用工业流化床方式进行。反应气体以一定的流速和一定压强进入填有催化剂、温度恒定的反应器中，并从反应器后端口流出产物与未反应的原料气。从反应器后端流出的混合气体可能是在平衡状态下，也可能是在非平衡状态下。所以化工生产要考虑生产效率问题，不一定要等到反应达到平衡状态，化工上的产率，它包括生产效率的意思在内。反应速率越快，单位时间产量提高了，某物质的产率就提高了。使用催化剂可以提高物质的产率。首先是使用催化剂可以加快反应速率，那当然就可以提高生产效率。

其次，催化剂有选择性和专一性，化工生产时，可以控制反应条件，选择一种合适的催化剂。高效、高选择性的催化剂只催化主反应，而对副反应不起作用，从而加快主反应的反应速率，减少了副反应，提高主反应中产物的产率。(注：多反应体系中，使用催化剂，并不是所有的反应都是加快反应速率的。)

(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：

两个反应在热力学上趋势均很大，其原因是________________；有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是____________________；提高丙烯腈反应选择性的关键因素是________。

(2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应的温度为460℃。低于460℃时，丙烯腈的产率________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡转化率，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

图(a)

【答案】(1)两个反应均为放热量大的反应 降低温度降低压强 催化剂

(2)不是 该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低 AC

5.催化剂与反应机理的关系(催 化剂与中间产物的区别)

【练习5】催化剂是化工技术的核心,绝大多数的化工生产都需采用催化工艺。

新的研究表明,可以将CO2转化为炭黑进行回收利用,反应原理如图所示。

整个过程中FeO的作用是___________________。

【答案】催化剂

【解析】根据原理图分析，太阳能促使反应发生，反应存在化学能，因此能量变化是从太阳能转化为化学能，FeO处于反应中间体物质，生成又被转化相当于催化剂促使反应发生。

【练习6】(2016·北京卷·27·节选)以废旧铅酸电池中的含铅废料(Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等)和H2SO4为原料，制备高纯PbO，实现铅的再生利用。其工作流程如下：

(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：

ⅱ：……

①写出ⅱ的离子方程式：____________________。

②下列实验方案可证实上述催化过程。将实验方案补充完整。

a.向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液几乎无色，再加入少量PbO2，溶液变红。

b.____________________。

②b.取a中红色溶液，向其中加入铅粉后，红色褪去

第一步：N2O5→NO2+NO3

快速平衡

第二步：NO2+NO3→NO+NO2+O

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.第三步反应的活化能比较高

【答案】AC

6.催化剂效果的评价

【练习8】(2018·海南卷)100℃时，在不同金属离子存在下，纯过氧化氢24h的分解率见下表：

离子加入量/(mg·L-1)分解率/%离子加入量/(mg·L-1)分解率/%无—2Fe3+1.015Al3+102Cu2+0.186Zn2+1010Cr3+0.196

由上表数据可知，能使过氧化氢分解反应活化能降低最多的离子是________。贮运过氧化氢时，可选用的容器材质为________(填标号)。

A.不锈钢 B.纯铝 C.黄铜 D.铸铁

【答案】Cr3+，B。

( )

A.a点v(正)

B.b点反应放热53.7 kJ

C.催化剂效果最佳的反应是①

【答案】C

7.催化剂的来源

【练习10】向盛有H2O2溶液的试管中加入几滴酸化的FeCl2溶液，溶液变成棕黄色，发生反应的离子方程式为______________________________;一段时间后，溶液中有气泡出现，并放热，随后有红褐色沉淀生成，产生气泡的原因是_____________________

，

生成沉淀的原因是_____________________

(用平衡移动原理解释)。

综上所述，经过对2018年高考化学中“催化剂”考点的剖析，且尽可能全面的归纳整理与“催化剂”相关设问点7个，然后,逐个设问点构建认知模型且辅以对点训练，力图帮助学生理清考点,突破难点。