廣東

周曼文

催化劑不僅是化學教材中一個重要的知識點和概念，更對當下的工業(yè)生產及生活有重大影響，這就說明了催化劑的作用將越來越大，催化劑的應用將越來越廣泛。高考中有關“催化劑”考點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物的差別”和“催化劑對化學反應速率、化學平衡的影響”等。本文以2018全國卷Ⅱ和海南卷中“催化劑”考點為例，分析并歸納整理高考化學中與“催化劑”相關設問點，希望能為高三考生提供相應的備考策略。

一、典例考點分析

【典例1】(2018·全國卷Ⅱ·27·節(jié)選)反應中催化劑活性會因積碳反應而降低，同時存在的消碳反應則使積碳量減少。相關數據如下表：

積碳反應CH4(g)C(s)+2H2(g)消碳反應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】根據表中數據可知相對于催化劑X,催化劑Y積碳反應的活化能大速率小，而消碳反應活化能相對小,速率大提取出催化劑Y(積碳慢，消碳快)的信息。又根據題中信息“催化劑活性會因積碳反應而降低”，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準”，希望考生能通過數據，解讀出活化能與反應速率的關系，進一步推理分析出催化劑優(yōu)劣。真正落實了“模型認知與證據推理”的學科核心素養(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果如右圖所示。活化氧可以快速氧化二氧化硫。下列說法正確的是

( )

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”過程的能量變化圖，考查學生對反應熱，活化能，化學反應本質和催化劑催化機理的理解。A項是從微觀角度對反應熱的另一種解讀；B項是測查學生對活化能的正確理解；C項是從化學鍵的角度詮釋“氧分子活化反應”的本質；D項是通過“催化劑催化機理”模型的測查，判斷炭黑顆粒是大氣中二氧化硫轉化為三氧化硫的催化劑。真正落實了“宏觀辨識與微觀探析”的學科核心素養(yǎng)。

二、高考化學中與催化劑相關的設問點歸納

1.催化劑概念

催化劑是能改變化學反應速率而在反應前后本身的質量和化學性質不變的物質。

2.催化劑類型與中學化學中常見“催化劑”

從催化劑的組成，中學階段涉及的常見催化劑分為金屬單質、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，酯化反應中的濃硫酸，酯類水解反應中的稀硫酸，雙氧水分解反應中的氯化鐵、氯化銅溶液，多糖水解反應中的稀(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，有些反應的催化劑是外界加入的，有些反應本身的反應物或產物對反應有催化作用(這類反應通常叫自催化反應)。

3.催化劑作用機理

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

4.催化劑與活化能、速率快慢

催化劑通過參與反應歷程、降低反應的活化能來提高化學反應速率。

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反應而言，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中所表現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，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”，是由于長期的反應條件和化學作用(如原料中的雜質、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變化，如晶相變化、晶粒分散度變化、組分流失等，導致催化劑失活，也稱催化劑中毒。

7.催化劑的意義——催化劑對轉化率、產率的影響

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化率、平衡產率，但在非平衡反應狀態(tài)下，催化劑使反應速率加快，從而使轉化率、產率升高；多反應體系中，催化劑選擇性高，活性好的反應，轉化率、產率相對要高些。

三、“催化劑”認知模型的構建與對點訓練

1.催化劑與活化能(Ea)、速率快慢的關系

不同的理論對活化能的本質的解釋不同。碰撞理論認為，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。所以根據碰撞理論，活化能的本質是分子發(fā)生有效碰撞所需的最低能量Ec。過渡態(tài)理論認為，反應物分子變成生成物分子的過程中，要先經過一種過渡態(tài)——活化絡合物?；罨j合物分子的勢能高于反應物分子的勢能，兩者的差值稱勢能壘Eb。所以，根據過渡態(tài)理論，活化能的本質是分子克服這個勢能壘所需的最低能量。

【練習1】(2014·浙江卷·27·改編)

ΔH1=218.4 kJ·mol-1(反應Ⅰ)

假設某溫度下，反應Ⅰ的速率(υ1)大于反應Ⅱ的速率(υ2)，則下列反應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，指在反應物能發(fā)生多種反應時，同一催化劑對不同反應促進程度的差異。當反應物總量一定時，選擇性好的催化劑對目標反應(主反應)的促進作用明顯，對副反應促進作用不明顯，大部分反應物經主反應轉變?yōu)槟繕水a物，副反應因為速率慢實際消耗的反應物較少，所以利用催化劑的選擇性可大幅提高目標產物在最終產物中的比例。

催化劑的選擇性和活性是兩個最重要的性質，當活性與選擇性不能同時滿足時，應根據生產實際綜合考慮。如果反應原料昂貴與副產物很難分離，最好選用高選擇性催化劑；反之，如果原料價廉且與產物易于分離，則宜采用高活性(即有限時間內實現更高的轉化率)的催化劑。(目標物質的產率=轉化率×選擇性)

【練習2】(2016·浙江卷·28·節(jié)選)某實驗室控制CO2和H2初始投料比為1∶2.2，在相同壓強下，經過相同反應時間測得如下實驗數據：

T(K)催化劑CO2轉化率(%)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：轉化的CO2中生成甲醇的百分比。

(3)表中實驗數據表明，在相同溫度下不同的催化劑對CO2轉化成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Ⅰ在無催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應過程-能量”示意圖。

【答案】(3)表中數據表明此時反應未達到平衡，不同的催化劑對反應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、產物純度。已有實驗證實：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到反應所需的溫度，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，無法形成晶相結構，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重影響。

【練習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，FeSO4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____________________________。若反應溫度過高，反應速率下降，其原因是___________________。

甲

乙

【答案】(1)降低反應活化能(或作催化劑)

(2)30℃、pH=2.0 蛋白質變性(或硫桿菌失去活性)

4.催化劑與轉化率、產率之間的關系

許多同學一看到催化劑，就想到它不會影響平衡的移動，從而產率不變，這是把產率和轉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的產率，或者會強調是某物質的平衡產率；后者通常是指某物質的平衡轉化率。催化劑不會影響平衡的移動，是不會影響平衡轉化率的，但是可以影響物質的產率。

化工生產上，反應常采用工業(yè)流化床方式進行。反應氣體以一定的流速和一定壓強進入填有催化劑、溫度恒定的反應器中，并從反應器后端口流出產物與未反應的原料氣。從反應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。所以化工生產要考慮生產效率問題，不一定要等到反應達到平衡狀態(tài)，化工上的產率，它包括生產效率的意思在內。反應速率越快，單位時間產量提高了，某物質的產率就提高了。使用催化劑可以提高物質的產率。首先是使用催化劑可以加快反應速率，那當然就可以提高生產效率。

其次，催化劑有選擇性和專一性，化工生產時，可以控制反應條件，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，而對副反應不起作用，從而加快主反應的反應速率，減少了副反應，提高主反應中產物的產率。(注：多反應體系中，使用催化劑，并不是所有的反應都是加快反應速率的。)

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

兩個反應在熱力學上趨勢均很大，其原因是________________；有利于提高丙烯腈平衡產率的反應條件是____________________；提高丙烯腈反應選擇性的關鍵因素是________。

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

；

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

A.催化劑活性降低 B.平衡常數變大

C.副反應增多 D.反應活化能增大

圖(a)

【答案】(1)兩個反應均為放熱量大的反應 降低溫度降低壓強 催化劑

(2)不是 該反應為放熱反應，平衡產率應隨溫度升高而降低 AC

5.催化劑與反應機理的關系(催 化劑與中間產物的區(qū)別)

【練習5】催化劑是化工技術的核心,絕大多數的化工生產都需采用催化工藝。

新的研究表明,可以將CO2轉化為炭黑進行回收利用,反應原理如圖所示。

整個過程中FeO的作用是___________________。

【答案】催化劑

【解析】根據原理圖分析，太陽能促使反應發(fā)生，反應存在化學能，因此能量變化是從太陽能轉化為化學能，FeO處于反應中間體物質，生成又被轉化相當于催化劑促使反應發(fā)生。

【練習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，實現鉛的再生利用。其工作流程如下：

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

(2)過程Ⅰ中，Fe2+催化過程可表示為：

ⅱ：……

①寫出ⅱ的離子方程式：____________________。

②下列實驗方案可證實上述催化過程。將實驗方案補充完整。

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

第三步：NO+NO3→2NO2

快反應

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

A.v(第一步的逆反應)>v(第二步反應)

B.反應的中間產物只有NO3

C.第二步中NO2與NO3的碰撞僅部分有效

D.第三步反應的活化能比較高

【答案】AC

6.催化劑效果的評價

【練習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

由上表數據可知，能使過氧化氫分解反應活化能降低最多的離子是________。貯運過氧化氫時，可選用的容器材質為________(填標號)。

A.不銹鋼 B.純鋁 C.黃銅 D.鑄鐵

【答案】Cr3+，B。

( )

A.a點v(正)

B.b點反應放熱53.7 kJ

C.催化劑效果最佳的反應是①

【答案】C

7.催化劑的來源

【練習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)生反應的離子方程式為______________________________;一段時間后，溶液中有氣泡出現，并放熱，隨后有紅褐色沉淀生成，產生氣泡的原因是_____________________

，

生成沉淀的原因是_____________________

(用平衡移動原理解釋)。

綜上所述，經過對2018年高考化學中“催化劑”考點的剖析，且盡可能全面的歸納整理與“催化劑”相關設問點7個，然后,逐個設問點構建認知模型且輔以對點訓練，力圖幫助學生理清考點,突破難點。