運(yùn)用模型認(rèn)知突破“高考化學(xué)中的催化劑”

廣東

周曼文

催化劑不僅是化學(xué)教材中一個重要的知識點(diǎn)和概念，更對當(dāng)下的工業(yè)生產(chǎn)及生活有重大影響，這就說明了催化劑的作用將越來越大，催化劑的應(yīng)用將越來越廣泛。高考中有關(guān)“催化劑”考點(diǎn)所占的分量越來越大,尤其是近幾年全國卷原理題幾乎都考過，主要考點(diǎn)有“選用合適的催化劑”、“判斷催化劑的效果”、“分析催化劑與中間產(chǎn)物的差別”和“催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡的影響”等。本文以2018全國卷Ⅱ和海南卷中“催化劑”考點(diǎn)為例，分析并歸納整理高考化學(xué)中與“催化劑”相關(guān)設(shè)問點(diǎn)，希望能為高三考生提供相應(yīng)的備考策略。

一、典例考點(diǎn)分析

【典例1】(2018·全國卷Ⅱ·27·節(jié)選)反應(yīng)中催化劑活性會因積碳反應(yīng)而降低，同時存在的消碳反應(yīng)則使積碳量減少。相關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

積碳反應(yīng)CH4(g)C(s)+2H2(g)消碳反應(yīng)CO2(g)+C(s)2CO(g)ΔH/(kJ·mol-1)75172活化能/(kJ·mol-1)催化劑X3391催化劑Y4372

①由上表判斷，催化劑X________Y(填“優(yōu)于”或“劣于”)，理由是___________________。

【答案】劣于

【解析】根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知相對于催化劑X,催化劑Y積碳反應(yīng)的活化能大速率小，而消碳反應(yīng)活化能相對小,速率大提取出催化劑Y(積碳慢，消碳快)的信息。又根據(jù)題中信息“催化劑活性會因積碳反應(yīng)而降低”，可以得出催化劑Y的活性高于X，所以催化劑X劣于Y。該題以信息的形式給出“催化劑活性的評價標(biāo)準(zhǔn)”，希望考生能通過數(shù)據(jù)，解讀出活化能與反應(yīng)速率的關(guān)系，進(jìn)一步推理分析出催化劑優(yōu)劣。真正落實(shí)了“模型認(rèn)知與證據(jù)推理”的學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

【典例2】(2018·海南卷·節(jié)選)炭黑是霧霾中的重要顆粒物，研究發(fā)現(xiàn)它可以活化氧分子，生成活化氧，活化過程的能量變化模擬計算結(jié)果如右圖所示?；罨蹩梢钥焖傺趸趸颉Ｏ铝姓f法正確的是

( )

A.每活化一個氧分子吸收0.29 eV的能量

B.水可使氧分子活化反應(yīng)的活化能降低0.42 eV

C.氧分子的活化是O—O的斷裂與C—O鍵的生成過程

D.炭黑顆粒是大氣中二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫的催化劑

【答案】CD

【解析】該題是通過“氧分子活化反應(yīng)”過程的能量變化圖，考查學(xué)生對反應(yīng)熱，活化能，化學(xué)反應(yīng)本質(zhì)和催化劑催化機(jī)理的理解。A項(xiàng)是從微觀角度對反應(yīng)熱的另一種解讀；B項(xiàng)是測查學(xué)生對活化能的正確理解；C項(xiàng)是從化學(xué)鍵的角度詮釋“氧分子活化反應(yīng)”的本質(zhì)；D項(xiàng)是通過“催化劑催化機(jī)理”模型的測查，判斷炭黑顆粒是大氣中二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫的催化劑。真正落實(shí)了“宏觀辨識與微觀探析”的學(xué)科核心素養(yǎng)。

二、高考化學(xué)中與催化劑相關(guān)的設(shè)問點(diǎn)歸納

1.催化劑概念

催化劑是能改變化學(xué)反應(yīng)速率而在反應(yīng)前后本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不變的物質(zhì)。

2.催化劑類型與中學(xué)化學(xué)中常見“催化劑”

從催化劑的組成，中學(xué)階段涉及的常見催化劑分為金屬單質(zhì)、金屬氧化物、酸、鹽、酶及多組分催化劑這六類。如乙醇催化氧化中的銅絲或銀絲，氯酸鉀或高錳酸鉀受熱分解的二氧化錳，酯化反應(yīng)中的濃硫酸，酯類水解反應(yīng)中的稀硫酸，雙氧水分解反應(yīng)中的氯化鐵、氯化銅溶液，多糖水解反應(yīng)中的稀(濃)酸和酶，合成氨工業(yè)的鐵觸媒[主要成分是四氧化三鐵(Fe3O4)，此外還包括助催化劑氧化鉀(K2O)和載體氧化鋁(Al2O3)等]。

從催化劑來源看，有些反應(yīng)的催化劑是外界加入的，有些反應(yīng)本身的反應(yīng)物或產(chǎn)物對反應(yīng)有催化作用(這類反應(yīng)通常叫自催化反應(yīng))。

3.催化劑作用機(jī)理

由于理論上催化劑的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在反應(yīng)前后不變，所以反應(yīng)歷程中必定既包含有催化劑參與的反應(yīng)，又包含使催化劑再生的反應(yīng)。

4.催化劑與活化能、速率快慢

催化劑通過參與反應(yīng)歷程、降低反應(yīng)的活化能來提高化學(xué)反應(yīng)速率。

5.催化劑的選擇性

催化劑的一個重要特性是選擇性。對于某一個具體的化學(xué)反應(yīng)而言，催化劑并非只有一種，可能有多種，如氯酸鉀分解的催化劑除了常見的二氧化錳之外，還有氧化鐵、氧化銅、氧化鎂等，只是不同的催化劑在同一反應(yīng)中所表現(xiàn)出的催化活性有一定的差別；對于某一種催化劑來說，也并非只能催化一個反應(yīng)，例如二氧化錳既可以催化氯酸鉀分解，也可以催化雙氧水分解。

6.影響催化劑活性的因素

催化劑之所以有“壽命”，是由于長期的反應(yīng)條件和化學(xué)作用(如原料中的雜質(zhì)、高溫時的熱作用等)會使催化劑發(fā)生不可逆的物理或化學(xué)變化，如晶相變化、晶粒分散度變化、組分流失等，導(dǎo)致催化劑失活，也稱催化劑中毒。

7.催化劑的意義——催化劑對轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率的影響

由于催化劑只改變速率，不影響平衡移動，所以催化劑不會影響平衡轉(zhuǎn)化率、平衡產(chǎn)率，但在非平衡反應(yīng)狀態(tài)下，催化劑使反應(yīng)速率加快，從而使轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率升高；多反應(yīng)體系中，催化劑選擇性高，活性好的反應(yīng)，轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率相對要高些。

三、“催化劑”認(rèn)知模型的構(gòu)建與對點(diǎn)訓(xùn)練

1.催化劑與活化能(Ea)、速率快慢的關(guān)系

不同的理論對活化能的本質(zhì)的解釋不同。碰撞理論認(rèn)為，只有發(fā)生碰撞的分子的能量等于或超過一定的能量Ec(可稱為臨界能)時，才可能發(fā)生有效碰撞。能量大于或等于Ec的分子稱為活化分子。所以根據(jù)碰撞理論，活化能的本質(zhì)是分子發(fā)生有效碰撞所需的最低能量Ec。過渡態(tài)理論認(rèn)為，反應(yīng)物分子變成生成物分子的過程中，要先經(jīng)過一種過渡態(tài)——活化絡(luò)合物。活化絡(luò)合物分子的勢能高于反應(yīng)物分子的勢能，兩者的差值稱勢能壘Eb。所以，根據(jù)過渡態(tài)理論，活化能的本質(zhì)是分子克服這個勢能壘所需的最低能量。

【練習(xí)1】(2014·浙江卷·27·改編)

ΔH1=218.4 kJ·mol-1(反應(yīng)Ⅰ)

假設(shè)某溫度下，反應(yīng)Ⅰ的速率(υ1)大于反應(yīng)Ⅱ的速率(υ2)，則下列反應(yīng)過程能量變化示意圖正確的是________。

A

B

C

D

【答案】C

2.催化劑的選擇性和活性

催化劑的選擇性，指在反應(yīng)物能發(fā)生多種反應(yīng)時，同一催化劑對不同反應(yīng)促進(jìn)程度的差異。當(dāng)反應(yīng)物總量一定時，選擇性好的催化劑對目標(biāo)反應(yīng)(主反應(yīng))的促進(jìn)作用明顯，對副反應(yīng)促進(jìn)作用不明顯，大部分反應(yīng)物經(jīng)主反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)產(chǎn)物，副反應(yīng)因?yàn)樗俾事龑?shí)際消耗的反應(yīng)物較少，所以利用催化劑的選擇性可大幅提高目標(biāo)產(chǎn)物在最終產(chǎn)物中的比例。

催化劑的選擇性和活性是兩個最重要的性質(zhì)，當(dāng)活性與選擇性不能同時滿足時，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際綜合考慮。如果反應(yīng)原料昂貴與副產(chǎn)物很難分離，最好選用高選擇性催化劑；反之，如果原料價廉且與產(chǎn)物易于分離，則宜采用高活性(即有限時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)化率)的催化劑。(目標(biāo)物質(zhì)的產(chǎn)率=轉(zhuǎn)化率×選擇性)

【練習(xí)2】(2016·浙江卷·28·節(jié)選)某實(shí)驗(yàn)室控制CO2和H2初始投料比為1∶2.2，在相同壓強(qiáng)下，經(jīng)過相同反應(yīng)時間測得如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

T(K)催化劑CO2轉(zhuǎn)化率(%)甲醇選擇性(%)543Cat.112.342.3543Cat.210.972.7553Cat.115.339.1553Cat.212.071.6

【備注】Cat.1：Cu/ZnO納米棒；Cat.2：Cu/ZnO納米片；甲醇選擇性：轉(zhuǎn)化的CO2中生成甲醇的百分比。

(3)表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在相同溫度下不同的催化劑對CO2轉(zhuǎn)化成CH3OH的選擇性有顯著的影響，其原因是______________________________。

(4)在下圖中分別畫出反應(yīng)Ⅰ在無催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應(yīng)過程-能量”示意圖。

【答案】(3)表中數(shù)據(jù)表明此時反應(yīng)未達(dá)到平衡，不同的催化劑對反應(yīng)Ⅰ的催化能力不同，因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響。

(4)

3.催化劑活性與T、比表面積、pH的關(guān)系

影響催化劑活性的因素有很多方面，要想提高催化劑的活性就必須堅持具體問題，具體分析，針對不同的催化對象采取不同的措施，采取各種輔助辦法(比如說加入輔助劑、改變催化劑的配制方法等)來提高催化劑的催化活性、產(chǎn)物純度。已有實(shí)驗(yàn)證實(shí)：焙燒的溫度過高或者過低都會使催化劑活性降低。溫度過低不能夠使催化劑達(dá)到反應(yīng)所需的溫度，而且活性也沒有形成；溫度過高會造成催化劑中的活性的成分相聚集，無法形成晶相結(jié)構(gòu)，從而造成催化劑的活性降低；比表面積會影響活性碳的催化效果；溶液pH對生物酶的催化活性有嚴(yán)重影響。

【練習(xí)3】(2017·天津卷·10·節(jié)選)H2S的除去

方法1：生物脫H2S的原理為：

(1)硫桿菌存在時，F(xiàn)eSO4被氧化的速率是無菌時的5×105倍，該菌的作用是___________________。

(2)由圖甲和圖乙判斷使用硫桿菌的最佳條件為____________________________。若反應(yīng)溫度過高，反應(yīng)速率下降，其原因是___________________。

甲

乙

【答案】(1)降低反應(yīng)活化能(或作催化劑)

(2)30℃、pH=2.0 蛋白質(zhì)變性(或硫桿菌失去活性)

4.催化劑與轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)率之間的關(guān)系

許多同學(xué)一看到催化劑，就想到它不會影響平衡的移動，從而產(chǎn)率不變，這是把產(chǎn)率和轉(zhuǎn)化率兩個概念混淆了。高考試題中這兩個概念是分得非常清楚的。前者一般表述為某物質(zhì)的產(chǎn)率，或者會強(qiáng)調(diào)是某物質(zhì)的平衡產(chǎn)率；后者通常是指某物質(zhì)的平衡轉(zhuǎn)化率。催化劑不會影響平衡的移動，是不會影響平衡轉(zhuǎn)化率的，但是可以影響物質(zhì)的產(chǎn)率。

化工生產(chǎn)上，反應(yīng)常采用工業(yè)流化床方式進(jìn)行。反應(yīng)氣體以一定的流速和一定壓強(qiáng)進(jìn)入填有催化劑、溫度恒定的反應(yīng)器中，并從反應(yīng)器后端口流出產(chǎn)物與未反應(yīng)的原料氣。從反應(yīng)器后端流出的混合氣體可能是在平衡狀態(tài)下，也可能是在非平衡狀態(tài)下。所以化工生產(chǎn)要考慮生產(chǎn)效率問題，不一定要等到反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，化工上的產(chǎn)率，它包括生產(chǎn)效率的意思在內(nèi)。反應(yīng)速率越快，單位時間產(chǎn)量提高了，某物質(zhì)的產(chǎn)率就提高了。使用催化劑可以提高物質(zhì)的產(chǎn)率。首先是使用催化劑可以加快反應(yīng)速率，那當(dāng)然就可以提高生產(chǎn)效率。

其次，催化劑有選擇性和專一性，化工生產(chǎn)時，可以控制反應(yīng)條件，選擇一種合適的催化劑。高效、高選擇性的催化劑只催化主反應(yīng)，而對副反應(yīng)不起作用，從而加快主反應(yīng)的反應(yīng)速率，減少了副反應(yīng)，提高主反應(yīng)中產(chǎn)物的產(chǎn)率。(注：多反應(yīng)體系中，使用催化劑，并不是所有的反應(yīng)都是加快反應(yīng)速率的。)

(1)以丙烯、氨、氧氣為原料，在催化劑存在下生成丙烯腈(C3H3N)和副產(chǎn)物丙烯醛(C3H4O)的熱化學(xué)方程式如下：

兩個反應(yīng)在熱力學(xué)上趨勢均很大，其原因是________________；有利于提高丙烯腈平衡產(chǎn)率的反應(yīng)條件是____________________；提高丙烯腈反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素是________。

(2)圖(a)為丙烯腈產(chǎn)率與反應(yīng)溫度的關(guān)系曲線，最高產(chǎn)率對應(yīng)的溫度為460℃。低于460℃時，丙烯腈的產(chǎn)率________(填“是”或“不是”)對應(yīng)溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率，判斷理由是_____________________

；

高于460℃時，丙烯腈產(chǎn)率降低的可能原因是________(雙選，填標(biāo)號)。

A.催化劑活性降低 B.平衡常數(shù)變大

C.副反應(yīng)增多 D.反應(yīng)活化能增大

圖(a)

【答案】(1)兩個反應(yīng)均為放熱量大的反應(yīng) 降低溫度降低壓強(qiáng) 催化劑

(2)不是 該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，平衡產(chǎn)率應(yīng)隨溫度升高而降低 AC

5.催化劑與反應(yīng)機(jī)理的關(guān)系(催 化劑與中間產(chǎn)物的區(qū)別)

【練習(xí)5】催化劑是化工技術(shù)的核心,絕大多數(shù)的化工生產(chǎn)都需采用催化工藝。

新的研究表明,可以將CO2轉(zhuǎn)化為炭黑進(jìn)行回收利用,反應(yīng)原理如圖所示。

整個過程中FeO的作用是___________________。

【答案】催化劑

【解析】根據(jù)原理圖分析，太陽能促使反應(yīng)發(fā)生，反應(yīng)存在化學(xué)能，因此能量變化是從太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，F(xiàn)eO處于反應(yīng)中間體物質(zhì)，生成又被轉(zhuǎn)化相當(dāng)于催化劑促使反應(yīng)發(fā)生。

【練習(xí)6】(2016·北京卷·27·節(jié)選)以廢舊鉛酸電池中的含鉛廢料(Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等)和H2SO4為原料，制備高純PbO，實(shí)現(xiàn)鉛的再生利用。其工作流程如下：

(1)過程Ⅰ中，在Fe2+催化下，Pb和PbO2反應(yīng)生成PbSO4的化學(xué)方程式是___________________。

(2)過程Ⅰ中，F(xiàn)e2+催化過程可表示為：

ⅱ：……

①寫出ⅱ的離子方程式：____________________。

②下列實(shí)驗(yàn)方案可證實(shí)上述催化過程。將實(shí)驗(yàn)方案補(bǔ)充完整。

a.向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液幾乎無色，再加入少量PbO2，溶液變紅。

b.____________________。

②b.取a中紅色溶液，向其中加入鉛粉后，紅色褪去

第一步：N2O5→NO2+NO3

快速平衡

第二步：NO2+NO3→NO+NO2+O

慢反應(yīng)

第三步：NO+NO3→2NO2

快反應(yīng)

其中可近似認(rèn)為第二步反應(yīng)不影響第一步的平衡。下列表述正確的是________(填標(biāo)號)。

A.v(第一步的逆反應(yīng))>v(第二步反應(yīng))

B.反應(yīng)的中間產(chǎn)物只有NO3

C.第二步中NO2與NO3的碰撞僅部分有效

D.第三步反應(yīng)的活化能比較高

【答案】AC

6.催化劑效果的評價

【練習(xí)8】(2018·海南卷)100℃時，在不同金屬離子存在下，純過氧化氫24h的分解率見下表：

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

由上表數(shù)據(jù)可知，能使過氧化氫分解反應(yīng)活化能降低最多的離子是________。貯運(yùn)過氧化氫時，可選用的容器材質(zhì)為________(填標(biāo)號)。

A.不銹鋼 B.純鋁 C.黃銅 D.鑄鐵

【答案】Cr3+，B。

( )

A.a點(diǎn)v(正)

B.b點(diǎn)反應(yīng)放熱53.7 kJ

C.催化劑效果最佳的反應(yīng)是①

【答案】C

7.催化劑的來源

【練習(xí)10】向盛有H2O2溶液的試管中加入幾滴酸化的FeCl2溶液，溶液變成棕黃色，發(fā)生反應(yīng)的離子方程式為______________________________;一段時間后，溶液中有氣泡出現(xiàn)，并放熱，隨后有紅褐色沉淀生成，產(chǎn)生氣泡的原因是_____________________

，

生成沉淀的原因是_____________________

(用平衡移動原理解釋)。

綜上所述，經(jīng)過對2018年高考化學(xué)中“催化劑”考點(diǎn)的剖析，且盡可能全面的歸納整理與“催化劑”相關(guān)設(shè)問點(diǎn)7個，然后,逐個設(shè)問點(diǎn)構(gòu)建認(rèn)知模型且輔以對點(diǎn)訓(xùn)練，力圖幫助學(xué)生理清考點(diǎn),突破難點(diǎn)。