2016年高考“明星”考點
——催化劑

四川 盧敬萱

(作者單位：四川大學華西藥學院)

2016年高考“明星”考點
——催化劑

據(jù)統(tǒng)計，約有80%～85%的化工生產(chǎn)過程使用催化劑，催化劑的研究和應用是21世紀化學的一個極具魅力和應用前景的重大主題，2016年高考試題對此表現(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命題規(guī)律及備考策略。

考點1:理論與實驗雙重探究催化劑的催化過程

【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反應生成PbSO4的化學方程式是___________。

(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.___________。

催化劑的特點是“一變兩不變”, “一變”是能改變其他物質(zhì)的化學反應速率，“改變”包括加快和減慢?！皟刹蛔儭?是質(zhì)量和化學性質(zhì)在化學變化前后不發(fā)生改變。

考點2：實驗數(shù)據(jù)助推催化劑的篩選

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

ΔH1=-53.7 kJ·mol-1Ⅰ

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(jīng)過相同反應時間測得如下實驗數(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的標準燃燒熱分別為-283.0 kJ·mol-1和-285.8 kJ·mol-1

請回答(不考慮溫度對ΔH的影響)：(1)反應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．降低反應溫度

D．投料比不變，增加反應物的濃度

E．增大CO2和H2的初始投料比

(3)表中實驗數(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。

(2)A項，使用催化劑Cat.1，平衡不移動，不能提高轉(zhuǎn)化率，A錯；B項，使用催化劑Cat.2，不能提高轉(zhuǎn)化率，B錯；C項，降低反應溫度，平衡正向移動，可增大轉(zhuǎn)化率，C正確；D項，投料比不變，增加反應物的濃度，相當于增大壓強，平衡正向移動，可增大CO2轉(zhuǎn)化率，D正確；E項，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；答案選CD。

(3)催化劑的設(shè)計與選擇，目前主要依靠經(jīng)驗采取篩選的方法，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，由于正反應為放熱反應，溫度高轉(zhuǎn)化率應該小才符合勒夏特列原理，實驗數(shù)據(jù)違反該原理，得出結(jié)論2：表中數(shù)據(jù)是未達到平衡時的數(shù)據(jù)。因而在該時刻下對甲醇選擇性有影響。

(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，說明催化劑Cat.2對反應Ⅰ催化效果更好，催化劑能降低反應的活化能，說明使用催化劑Cat.2的反應過程中活化能更低，所畫圖示為

考點3：真實化工生產(chǎn)情景中分析催化劑對化學反應的影響

有利于提高丙烯腈平衡產(chǎn)率的反應條件是________；提高丙烯腈反應選擇性的關(guān)鍵因素是___________。

(2)圖(a)為丙烯腈產(chǎn)率與反應溫度的關(guān)系曲線，最高產(chǎn)率對應的溫度為460℃。低于460℃時，丙烯腈的產(chǎn)率________(填“是”或“不是”)對應溫度下的平衡轉(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，填標號)。

A.催化劑活性降低________ B.平衡常數(shù)變大

C.副反應增多___________D.反應活化能增大

【解析】(1)分析丙烯腈反應特點，氣體體積增大的放熱反應，根據(jù)勒夏特列原理采取降低反應溫度和降低壓強措施，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，而大大減少副反應的發(fā)生和副產(chǎn)物的生成。這不僅可以增大原料的利用率，而且可以簡化反應后產(chǎn)物的凈化、提純處理等流程，節(jié)約成本。提高丙烯腈反應選擇性的關(guān)鍵因素是催化劑。

(2)先分析溫度對化學平衡的影響關(guān)系，該反應為放熱反應，平衡產(chǎn)率應隨溫度升高而降低，事實是低于460℃時，丙烯腈的產(chǎn)率曲線是上升的，由此判斷低于460℃時，丙烯腈的產(chǎn)率不是對應溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率。答案具體表述為：不是，該反應為放熱反應，平衡產(chǎn)率應隨溫度升高而降低。

A選項，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的溫度范圍，這個溫度范圍叫作催化劑的活性溫度。若溫度過高，活性降低，A正確；B選項，由ΔH=-515 kJ·mol-1可知，升高溫度平衡常數(shù)變小，B錯；C選項，副產(chǎn)物有丙烯醛，催化劑活性降低，副反應增多，導致產(chǎn)率下降，C正確；D選項，Ea(活化能)=E(活化分子的平均能量)-E(普通分子的平均能量)。一般認為溫度對反應的活化能無影響，但在溫度升高較大時還是會降低反應的活化能的，D錯。答案選AC。

考點4：催化劑多重性質(zhì)對化學反應的影響

【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)，中學化學實驗常用如下裝置來制備

完成下列填空：

實驗時，通常加入過量的乙醇，原因是________。加入數(shù)滴濃硫酸即能起催化作用，但實際用量多于此量，原因是____________；濃硫酸用量又不能過多，原因是___________。

【解析】酯化反應是可逆反應，主要利用勒夏特列原理分析問題，加入過量的乙醇增大反應物濃度，使平衡向生成酯的方向移動，提高酯的產(chǎn)率。濃硫酸有三個特性，吸水性、脫水性、強氧化性，實際用量多于此量，原因是濃H2SO4能吸收生成的水，使平衡向生成酯的方向移動，提高酯的產(chǎn)率。濃硫酸用量又不能過多，原因是濃H2SO4具有強氧化性和脫水性，會使有機物碳化，降低酯的產(chǎn)率。

催化劑備考策略

催化原理：改變反應路徑，使反應所需的活化能降低?；罨苁悄芰?，活化能高反應的難度大，反應速率慢。

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物之間能夠同時發(fā)生多個反應情況下，催化劑可以大幅度提高目標產(chǎn)物在最終產(chǎn)物中的比率，酶的選擇性極高)。

選擇反應溫度依據(jù)之一：在選擇某反應的溫度時，首先應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)(反應原料中帶入的雜質(zhì)、催化劑自身的某些雜質(zhì)、反應產(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平衡：對于可逆反應，催化劑同等程度地改變正逆反應速率，因而不能改變反應物的轉(zhuǎn)化率，但可縮短反應達到化學平衡的時間。

周期表中催化劑尋找區(qū)域：過渡元素區(qū)。

中學中常用的催化劑：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：四川大學華西藥學院)