2016年高考“明星”考點(diǎn)
——催化劑

四川 盧敬萱

(作者單位：四川大學(xué)華西藥學(xué)院)

2016年高考“明星”考點(diǎn)
——催化劑

據(jù)統(tǒng)計(jì)，約有80%～85%的化工生產(chǎn)過(guò)程使用催化劑，催化劑的研究和應(yīng)用是21世紀(jì)化學(xué)的一個(gè)極具魅力和應(yīng)用前景的重大主題，2016年高考試題對(duì)此表現(xiàn)出極大的關(guān)注。本文以2016年高考試題為線索，揭示催化劑這一隱性考點(diǎn)命題規(guī)律及備考策略。

考點(diǎn)1:理論與實(shí)驗(yàn)雙重探究催化劑的催化過(guò)程

【例1】(北京，27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(guò)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(guò)程Ⅰ中，F(xiàn)e2+催化過(guò)程可表示為：

ⅱ: ……

①寫(xiě)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(guò)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(wú)色，再加入少量PbO2，溶液變紅。

b.___________。

催化劑的特點(diǎn)是“一變兩不變”, “一變”是能改變其他物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)速率，“改變”包括加快和減慢。“兩不變” 是質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)變化前后不發(fā)生改變。

考點(diǎn)2：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)助推催化劑的篩選

【例2】(浙江，28節(jié)選)催化還原CO2是解決溫室效應(yīng)及能源問(wèn)題的重要手段之一。研究表明，在Cu/ZnO催化劑存在下，CO2和H2可發(fā)生兩個(gè)平行反應(yīng)，分別生成CH3OH和CO。反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下：

ΔH1=-53.7 kJ·mol-1Ⅰ

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(guò)相同反應(yīng)時(shí)間測(cè)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

已知：①CO和H2的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱分別為-283.0 kJ·mol-1和-285.8 kJ·mol-1

請(qǐng)回答(不考慮溫度對(duì)ΔH的影響)：(1)反應(yīng)Ⅱ的ΔH2=________kJ·mol-1。

(2)有利于提高CO2轉(zhuǎn)化為CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的措施有___________。

A．使用催化劑Cat.1

B．使用催化劑Cat.2

C．降低反應(yīng)溫度

D．投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度

E．增大CO2和H2的初始投料比

(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(duì)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(huà)出反應(yīng)Ⅰ在無(wú)催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應(yīng)過(guò)程～能量”示意圖。

(2)A項(xiàng)，使用催化劑Cat.1，平衡不移動(dòng)，不能提高轉(zhuǎn)化率，A錯(cuò)；B項(xiàng)，使用催化劑Cat.2，不能提高轉(zhuǎn)化率，B錯(cuò)；C項(xiàng)，降低反應(yīng)溫度，平衡正向移動(dòng)，可增大轉(zhuǎn)化率，C正確；D項(xiàng)，投料比不變，增加反應(yīng)物的濃度，相當(dāng)于增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，可增大CO2轉(zhuǎn)化率，D正確；E項(xiàng)，增大 CO2和H2的初始投料比，可增大氫氣的轉(zhuǎn)化率，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率減小，E錯(cuò)；答案選CD。

(3)催化劑的設(shè)計(jì)與選擇，目前主要依靠經(jīng)驗(yàn)采取篩選的方法，從表中數(shù)據(jù)分析，首先觀察相同溫度下，不同的催化劑，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率不同。得出結(jié)論1：不同的催化劑的催化能力不同。再分析不同溫度相同的催化劑，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率不同，且溫度高的轉(zhuǎn)化率大，由于正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度高轉(zhuǎn)化率應(yīng)該小才符合勒夏特列原理，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)違反該原理，得出結(jié)論2：表中數(shù)據(jù)是未達(dá)到平衡時(shí)的數(shù)據(jù)。因而在該時(shí)刻下對(duì)甲醇選擇性有影響。

(4)從表中數(shù)據(jù)分析，在催化劑Cat.2的作用下，甲醇的選擇性更大，說(shuō)明催化劑Cat.2對(duì)反應(yīng)Ⅰ催化效果更好，催化劑能降低反應(yīng)的活化能，說(shuō)明使用催化劑Cat.2的反應(yīng)過(guò)程中活化能更低，所畫(huà)圖示為

考點(diǎn)3：真實(shí)化工生產(chǎn)情景中分析催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響

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(duì)應(yīng)的溫度為460℃。低于460℃時(shí)，丙烯腈的產(chǎn)率________(填“是”或“不是”)對(duì)應(yīng)溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率，判斷理由是________；高于460℃時(shí)，丙烯腈產(chǎn)率降低的可能原因是________(雙選，填標(biāo)號(hào))。

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

【解析】(1)分析丙烯腈反應(yīng)特點(diǎn)，氣體體積增大的放熱反應(yīng)，根據(jù)勒夏特列原理采取降低反應(yīng)溫度和降低壓強(qiáng)措施，有利于提高丙烯腈平衡產(chǎn)率。催化劑如果具有較高的選擇性，則可以選擇性地催化工業(yè)生產(chǎn)所需的主反應(yīng)，而大大減少副反應(yīng)的發(fā)生和副產(chǎn)物的生成。這不僅可以增大原料的利用率，而且可以簡(jiǎn)化反應(yīng)后產(chǎn)物的凈化、提純處理等流程，節(jié)約成本。提高丙烯腈反應(yīng)選擇性的關(guān)鍵因素是催化劑。

(2)先分析溫度對(duì)化學(xué)平衡的影響關(guān)系，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，事實(shí)是低于460℃時(shí)，丙烯腈的產(chǎn)率曲線是上升的，由此判斷低于460℃時(shí)，丙烯腈的產(chǎn)率不是對(duì)應(yīng)溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率。答案具體表述為：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。

A選項(xiàng)，催化劑的催化能力一般叫作催化活性。各種催化劑都具有一定的活性最強(qiáng)的溫度范圍，這個(gè)溫度范圍叫作催化劑的活性溫度。若溫度過(guò)高，活性降低，A正確；B選項(xiàng)，由ΔH=-515 kJ·mol-1可知，升高溫度平衡常數(shù)變小，B錯(cuò)；C選項(xiàng)，副產(chǎn)物有丙烯醛，催化劑活性降低，副反應(yīng)增多，導(dǎo)致產(chǎn)率下降，C正確；D選項(xiàng)，Ea(活化能)=E(活化分子的平均能量)-E(普通分子的平均能量)。一般認(rèn)為溫度對(duì)反應(yīng)的活化能無(wú)影響，但在溫度升高較大時(shí)還是會(huì)降低反應(yīng)的活化能的，D錯(cuò)。答案選AC。

考點(diǎn)4：催化劑多重性質(zhì)對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響

【例4】(上海，33節(jié)選)乙酸乙酯廣泛用于藥物、染料、香料等工業(yè)，中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)常用如下裝置來(lái)制備

完成下列填空：

實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常加入過(guò)量的乙醇，原因是________。加入數(shù)滴濃硫酸即能起催化作用，但實(shí)際用量多于此量，原因是____________；濃硫酸用量又不能過(guò)多，原因是___________。

【解析】酯化反應(yīng)是可逆反應(yīng)，主要利用勒夏特列原理分析問(wèn)題，加入過(guò)量的乙醇增大反應(yīng)物濃度，使平衡向生成酯的方向移動(dòng)，提高酯的產(chǎn)率。濃硫酸有三個(gè)特性，吸水性、脫水性、強(qiáng)氧化性，實(shí)際用量多于此量，原因是濃H2SO4能吸收生成的水，使平衡向生成酯的方向移動(dòng)，提高酯的產(chǎn)率。濃硫酸用量又不能過(guò)多，原因是濃H2SO4具有強(qiáng)氧化性和脫水性，會(huì)使有機(jī)物碳化，降低酯的產(chǎn)率。

催化劑備考策略

催化原理：改變反應(yīng)路徑，使反應(yīng)所需的活化能降低。活化能是能量，活化能高反應(yīng)的難度大，反應(yīng)速率慢。

三種教材三種圖：

理想催化劑的特性：選擇性(是指給定條件下反應(yīng)物之間能夠同時(shí)發(fā)生多個(gè)反應(yīng)情況下，催化劑可以大幅度提高目標(biāo)產(chǎn)物在最終產(chǎn)物中的比率，酶的選擇性極高)。

選擇反應(yīng)溫度依據(jù)之一：在選擇某反應(yīng)的溫度時(shí)，首先應(yīng)考慮催化劑的活性溫度，以便最大限度地發(fā)揮催化劑的作用。

催化劑中毒：由于某些物質(zhì)(反應(yīng)原料中帶入的雜質(zhì)、催化劑自身的某些雜質(zhì)、反應(yīng)產(chǎn)物或副產(chǎn)物)的作用而使催化活性衰退或喪失的現(xiàn)象。

催化劑影響速率不影響化學(xué)平衡：對(duì)于可逆反應(yīng)，催化劑同等程度地改變正逆反應(yīng)速率，因而不能改變反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，但可縮短反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡的時(shí)間。

周期表中催化劑尋找區(qū)域：過(guò)渡元素區(qū)。

中學(xué)中常用的催化劑：酶是蛋白質(zhì)，也是催化劑。二氧化錳、五氧化二礬、鐵觸媒、鉑銠催化劑、Ni、Cu、濃硫酸、稀硫酸。

(作者單位：四川大學(xué)華西藥學(xué)院)