高考化学与催化剂相关的六个考点
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=加热=2CuOCH3CH2OH＋CuO -加热-> 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) ⅠCO2(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(%)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]
[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)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。[答案]
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＋H2SO44FeSO4＋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，测得c(Mn2＋)、c(SO)随时间t的变化如图所示。导致c(Mn2＋)、c(SO)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(SO)的曲线斜率逐渐增大，说明SO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)。
[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]
[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。
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