例析與催化劑相關的六個考點

浙江 吳朝輝

2014年，國際純粹與應用化學聯(lián)合會定義催化劑：“增加反應速率但不改變總反應的標準吉布斯自由能的物質。催化劑既是反應的反應物，也是該反應的生成物。”簡言之，催化劑能加快反應速率，但反應前后自身的質量與組成保持不變。

在基于真實情境考查學生綜合運用知識的能力的考試理念引導下，與化工生產關系密切的催化劑備受青睞，成了熱門考點。從考查的知識看，主要從反應歷程、活化能、速率、平衡移動等角度考查催化劑對反應的影響。從試題形式上看，常常融合圖象、表格等信息呈現(xiàn)形式，考查學生吸收和整合陌生信息的能力。

一、催化劑與反應歷程

催化劑如何影響化學反應？有一個熟悉的例子：Cu催化乙醇的氧化反應。

催化劑Cu先參與反應后又重新生成，它經(jīng)歷了 Cu→CuO→Cu的變化歷程。

例1(2017年4月浙江選考，改編)用NaClO3、H2O2和稀硫酸制備ClO2。反應開始時加入少量鹽酸，ClO2的生成速率大大提高(Cl-對反應有催化作用)。該過程可能經(jīng)兩步反應完成，將其補充完整：

①__________(用離子方程式表示)；

解決催化劑參與反應的反應歷程問題，關鍵是要根據(jù)題給信息確定催化劑轉化的中間產物。

二、催化劑與活化能、焓變

催化劑通過降低反應的活化能而加快反應速率。而且催化劑的性能越好，反應的活化能越低。

例2(2016年浙江高考，節(jié)選)在Cu/ZnO催化劑存在下，CO2和H2可發(fā)生兩個平行反應：

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)過相同時間測得實驗數(shù)據(jù)如表1所示。在圖1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。

表1

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】甲醇選擇性：轉化的CO2中生成甲醇的百分比。

解析：據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以算出生成CH3OH的CO2占全部CO2的百分比。543K，Cat.1作用下是12.3%×42.3%≈5.20%，Cat.2作用下是10.9%×72.7%=7.92%。所以Cat.2的催化選擇性要好于Cat.1，即在 Cat.2 的作用下反應的活化能低。結果如圖2所示。

作圖時還要注意，催化劑不能改變反應物、生成物的總能量，所以曲線的起點、終點應相同。也正是這個原因，所以催化劑不能改變反應的焓變。

三、催化劑與反應速率、平衡移動

催化劑能加快反應速率，縮短到達平衡所需時間。催化劑的活性越好，所需時間越短。但催化劑不能使化學平衡發(fā)生移動。

表2

實驗編號T/℃初始c(NO)/(mol·L-1)初始c(CO)/(mol·L-1)比表面積/(m2·g-1)Ⅰ2801.20×10-35.80×10-382Ⅱ2801.20×10-35.80×10-3124Ⅲ3501.20×10-35.80×10-3124

解析：先比較實驗Ⅰ、Ⅱ：實驗Ⅱ的催化劑比表面積大，故實驗Ⅱ的反應速率大；因催化劑不影響平衡移動，故達到平衡后，實驗Ⅰ、Ⅱ的c(NO)相同。再比較Ⅱ、Ⅲ：實驗Ⅲ的溫度高，故實驗Ⅲ的反應速率大；因溫度升高，平衡左移，故平衡時c(NO)較大。圖象如圖4。

四、溫度與催化劑活性

催化劑具有一定范圍的活化溫度，過高或過低，都會導致催化劑的活性降低。如生物催化劑酶，對溫度就非常敏感。

例4(2017年天津，節(jié)選)H2S和SO2會對環(huán)境和人體健康帶來極大的危害，工業(yè)上采取多種方法減少這些有害氣體的排放……生物脫H2S的原理為

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________。若反應溫度過高，反應速率下降，其原因是_______________________________________。

解析：因為硫桿菌能顯著加快反應速率，故它是反應的催化劑。當反應溫度過高時，硫桿菌會因蛋白質變性而失去了催化性能，反應速率明顯下降。

五、催化劑的來源問題

化學中有一類特殊反應，叫自催化反應，該類反應中的生成物對反應有催化作用。它的特點之一是開始反應速率很小，隨著起催化作用的產物的積累速率迅速增大。

判斷一個化學反應是否是自催化反應，先要排除溫度、濃度、壓強、接觸面積等的影響，然后再分析是何種生成物具有催化作用。

六、催化劑、溫度對平衡的綜合影響

解析：先分析催化劑A作用下的脫氮率為什么會先增大后減小。低于300℃時，溫度越高，反應速率越快，相同時間內消耗的NO越多，所以脫氮率增大。高于300℃時，因為溫度升高，平衡逆向移動，消耗的NO減小，所以脫氮率下降。

改用催化劑B，就涉及催化劑和溫度兩個變量，在解題時要分別考慮。①B催化下，隨著溫度的升高，脫氮率也應先增大后減小。②達到曲線最高點之前，B的催化能力弱，相同溫度時的脫氮率要小于A。即所畫曲線應在A的下方。③B催化下在相同時間內達到平衡，則曲線最高點應出現(xiàn)在高于300℃。④當A、B均達到平衡后，平衡脫氮率只與溫度有關，所以兩條曲線重合。具體圖象如圖7所示。