關(guān)注催化劑的三個考查點

杜敏敏

(山東省棗莊市第一中學(xué))

催化劑是在化學(xué)反應(yīng)過程中能改變化學(xué)反應(yīng)速率而不改變化學(xué)平衡,且本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)前后都沒有發(fā)生改變的物質(zhì).催化劑逐漸成為考試的熱點和難點,主要考查催化劑的判斷、催化劑對化學(xué)反應(yīng)的影響,如化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)、反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率、化學(xué)平衡的移動等.

1 考查催化劑的判斷

近年來,對化學(xué)反應(yīng)歷程的考查成為考試的熱點.大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)都需要催化劑,催化劑參與了化學(xué)反應(yīng),因此結(jié)合化學(xué)反應(yīng)歷程示意圖判斷出催化劑成為一個考點.要求學(xué)生能從復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)歷程中找出催化劑.

例1在一定條件下,反應(yīng)物和生成物的相對能量與反應(yīng)歷程如圖1所示.下列說法錯誤的是( ).

圖1

A.E1－E4＝E2－E5

B.Cl(g)為歷程Ⅱ的催化劑

C.相同條件下,歷程Ⅰ、Ⅱ中O3的平衡轉(zhuǎn)化率相同

D.兩個反應(yīng)歷程中速率最快的一步反應(yīng)的ΔH＝(E3－E2)kJ?mol－1

分析由圖可知,Cl(g)是歷程Ⅱ的催化劑,催化劑不能改變反應(yīng)的反應(yīng)熱,則歷程Ⅰ、Ⅱ的反應(yīng)熱相等,即E1－E4＝E2－E5,選項A、B說法正確.催化劑不能改變反應(yīng)的始態(tài)和終態(tài),不能改變反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率,即相同條件下,歷程Ⅰ、Ⅱ中O3的平衡轉(zhuǎn)化率相等,選項C說法正確.由圖可知,歷程Ⅱ中的第二步反應(yīng)活化能小于第一步反應(yīng)的活化能,反應(yīng)的活化能越低,反應(yīng)速率越快,則歷程Ⅰ、Ⅱ中速率最快的一步反應(yīng)的焓變?yōu)?E2－E3)kJ?mol－1,選項D 說法錯誤.答案為D.

2 考查催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響

化學(xué)反應(yīng)中催化劑可以降低反應(yīng)的活化能,加快化學(xué)反應(yīng)速率,但對化學(xué)平衡沒有影響.試題對化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱和反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率考查較多.

例2利用反應(yīng)2CO(g)＋SO2(g)?2CO2(g)＋S(l) ΔH＜0可實現(xiàn)從燃煤煙氣中回收硫.向3個容積相同的恒容密閉容器中通入2 mol CO(g)和1 mol SO2(g)發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)體系的總壓強(qiáng)隨時間的變化如圖2所示.下列說法錯誤的是( ).

圖2

A.與實驗a相比,實驗b改變的條件是加入催化劑

B.使用催化劑可以降低反應(yīng)的活化能,增大活化分子百分?jǐn)?shù),反應(yīng)速率加快

C.使用高效率催化劑,可提高單位時間內(nèi)S 的產(chǎn)率

D.相應(yīng)條件下實驗a、b、c的平衡常數(shù):Ka＝Kb＜Kc

分析由題意可知,反應(yīng)為放熱反應(yīng),3個反應(yīng)容器的容積相同且恒容,反應(yīng)物起始量相同,實驗a、b起始壓強(qiáng)相同,說明反應(yīng)溫度相同,實驗b達(dá)到平衡快,反應(yīng)速率大,但兩者平衡狀態(tài)相同,說明實驗b使用了催化劑,選項A 說法正確.一般使用催化劑可以降低反應(yīng)的活化能,部分分子變?yōu)榛罨肿?則活化分子百分?jǐn)?shù)增大,活化分子有效碰撞的概率增大,化學(xué)反應(yīng)速率加快,選項B 說法正確.使用高效率催化劑,能降低反應(yīng)的活化能,加快反應(yīng)速率,可提高單位時間內(nèi)S的產(chǎn)率,選項C 說法正確.平衡常數(shù)只受溫度影響,根據(jù)分析可知,實驗a、b反應(yīng)溫度相同,則Ka＝Kb.反應(yīng)ΔH＜0,說明該反應(yīng)是放熱反應(yīng),升高溫度,平衡逆向移動,平衡常數(shù)減小,實驗c溫度比實驗a、b高,則Ka＝Kb＞Kc,選項D 說法錯誤.答案為D.

催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響:降低了反應(yīng)的活化能,加快化學(xué)反應(yīng)速率,提高單位時間內(nèi)的產(chǎn)率.催化劑對化學(xué)平衡沒有影響,因此不能改變反應(yīng)的焓變,不能改變反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率.

3 考查催化劑的使用條件

催化劑的使用是有條件的,不同條件下催化劑的催化效率不同,即使是同一催化劑在不同條件下催化效率也不相同.因此,有的試題就要求通過比較催化劑對反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率的影響選擇適宜的條件.

例3煤和石油等化石燃料燃燒產(chǎn)生的NOx是大氣中氮氧化物的主要來源.選擇性催化還原脫硝技術(shù)是控制尾部煙氣中NOx排放的最成熟有效的技術(shù)之一.在相同時間內(nèi),3種催化劑條件下,NO 的轉(zhuǎn)化率、NO2的濃度隨溫度的變化如圖3所示.空速(規(guī)定的條件下,單位時間、單位體積催化劑處理的氣體量)的大小直接決定了煙氣在催化劑表面的停留時間和裝置的煙氣處理能力.催化劑能夠適應(yīng)較大的空速,就可以在保證足夠高的脫硝效率的前提下提高催化劑處理煙氣的能力.相同時間內(nèi),Mn CeZr催化劑在不同空速下NO 的轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化如圖4所示.

圖3 催化劑脫硝活性曲線(O2 含量3%)

圖4 空速對脫硝過程影響(O2 含量3%)

(1)根據(jù)圖3和圖4分析,選取工業(yè)脫硝的最佳反應(yīng)條件為________.350～400 ℃產(chǎn)生較多NO2的原因為_________.

(2)通過改善催化劑的結(jié)構(gòu)特性可以使脫硝效率得到提升.較低溫度下,Mn CeZr催化劑的脫硝效率遠(yuǎn)高于CeZr催化劑,說明主要是_________(填元素符號)的存在改善了催化劑的低溫活性.在Mn Ce催化劑催化下,X點的正反應(yīng)速率________(填“＞”“＜”或“＝”)逆反應(yīng)速率,說明理由:_________.

分析(1)結(jié)合圖3 可知,溫度為300 ℃、Mn CeZr作催化劑時,NO 的轉(zhuǎn)化率最高.根據(jù)圖4及題干信息“催化劑能夠適應(yīng)較大的空速,就可以在保證足夠高的脫硝效率的前提下提高催化劑處理煙氣的能力”可知,空速30 000 h－1時NO 的轉(zhuǎn)化率足夠高,故選取工業(yè)脫硝的最佳反應(yīng)條件為Mn CeZr作催化劑、300 ℃、空速30 000 h－1.350～400 ℃產(chǎn)生較多NO2的原因是在較高溫度下,Mn CeZr、Mn Ce催化活性均下降,反應(yīng)速率減慢,隨著脫硝效率的下降,沒有參加反應(yīng)的NO 逐漸被氧化成了NO2.

(2)較低溫度下,Mn CeZr作催化劑的脫硝效率遠(yuǎn)高于CeZr作催化劑的脫硝效率,說明主要是Mn的存在改善了催化劑的低溫活性.在Mn Ce催化下,X點的正反應(yīng)速率＞逆反應(yīng)速率,其理由為平衡是可逆反應(yīng)所能達(dá)到的最大限度,相同溫度下,X點時NO的轉(zhuǎn)化率不是最大的(Mn CeZr作催化劑時NO 的轉(zhuǎn)化率更大),所以X點時反應(yīng)沒有達(dá)到平衡,反應(yīng)仍在正向進(jìn)行,即正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率.

總之,化學(xué)課程要求學(xué)生能從微觀層面和模型認(rèn)知角度分析解決化學(xué)問題,分析催化劑在化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和化學(xué)反應(yīng)過程中對化學(xué)反應(yīng)的影響體現(xiàn)了這一理念,解題時要理解催化劑的本質(zhì),分析模型和圖像,找出催化劑對物質(zhì)變化和對化學(xué)反應(yīng)的影響.

(完)