芻議催化劑與活化能

王積斌

催化劑是化工生產中的重要物質，許多化學反應由于使用催化劑降低了反應的活化能使應速率大大加快，從而降低了生產成本，提高了生產效率，因此催化劑與活化能的概念成為高考命題的一個熱點，因許多考生對催化劑與活化能的概念理解得不夠準確，導致答題出錯，現作如下解讀，以供參考.

一、關于催化劑

1.催化劑是否參與反應

義務教育九年級化學課本中催化劑的概念為：“在化學反應里能改變其他物質的化學反應速率，而本身的質量和化學性質在反應前后都沒有發生變化的物質叫做催化劑（又叫觸媒）”.由于初中化學沒有從反應歷程的角度講催化劑的作用，加上高中化學課本也沒有對此作具體介紹，因此學生都認為催化劑不參與化學反應，這是錯誤的.催化劑能夠改變化學反應速率的原因就是因為它參與了化學反應，形成了中間過渡態，改變了反應歷程，從而降低了反應的活化能，使反應速率加快，之所以反應前后催化劑的質量和化學性質保持不變，是因為它在反應中與反應物形成了中間體，而在后續反應步驟中又全部釋放出來了，也就是說催化劑是在反應中是“前進后出，進出等量”的物質，

例1 （2018年房山模擬）三效催化劑是最為常見的汽車尾氣催化劑，其催化劑表面物質轉化的關系如圖1所示，下列說法正確的是（

）.

A.在轉化過程中，氮元素均被還原

B.依據圖示判斷催化劑不參與儲存和還原過程

C.還原過程中生成0.1 mol N2，轉移電子數為0.5 NA

D.三效催化劑能有效實現汽車尾氣中CO、CxHy、NOx三種成分的凈化

解析從轉化關系圖可以看出，儲存過程中氮元素被氧化，還原過程中氮元素被還原，A錯;催化劑顯然參與儲存和還原過程.B錯：還原過程中氮元素從+5價降到0價，每生成1 mol N，轉移10 mol電子，則生成0.1 mol N2，轉移電子數為1M，C錯;此轉化過程中的反應物為CO、CxHy、NOx、O2，生成物N2、H2O、CO2，D正確，

答案選D.

2.催化劑是否改變反應熱

化學反應的熱效應是由于舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成引發的能量差導致的，所以反應熱只與反應的始態和終態（即反應物和生成物）有關，與反應過程無關，催化劑只能改變反應歷程，不能改變反應物和生成物，因此不能改變反應熱.

例2 （2020天津高考題）理論研究表明，在101 kPa和298 K下HCN（ g）==HNC（g）異構化反應過程的能量變化如圖2所示，下列說法錯誤的是（

）.

答案選D.

3.催化劑對反應物的轉化率或生成物的產率有無影響

許多反應由于使用催化劑加快了反應的速率，從而提高了反應過程中單位時間內反應物的轉化量和產物的生成量，因此在反應未達到平衡之前使用催化劑可以提高反應物的轉化率和生成物的產率，當反應在一定條件下達到平衡時，反應物的轉化率和生成物的產率是該反應條件下的最大值，若再使用催化劑因不能改變反應的進程，故催化劑不改變平衡轉化率和產率，

例3（2018北京高考題）我國科研人員提出了由CO，和CH4轉化為高附加值產品CH，COOH的催化反應歷程.該歷程如圖3所示.下列說法不正確的是（

）.

A.生成CH3COOH總反應的原子利用率為100%

B.CH4-CH3COOH過程中，有C-H鍵發生斷裂

C.①一②放出能量并形成了C-C鍵

D.該催化劑可有效提高反應物的平衡轉化率

解析 CO2和CH4轉化為CH3COOH的反應是碳氧雙鍵的加成反應，沒有其他物質生成，故原子利用率為100%.A正確：據圖示知，CH4選擇性活化變為①過程中，有1個C-H鍵發生斷裂，B正確;圖中①的總能量高于②的總能量，①一②放出能量并形成C-C鍵，C正確：催化劑不影響化學平衡，不能提高反應物的平衡轉化率，D錯誤.

答案選D.

4.催化劑的使用需注意哪些問題

（1）選擇性

催化劑的選擇性是催化劑的重要性質之一，指在能發生多種反應的反應系統中，同一催化劑促進不同反應的程度的比較，如乙醇在高溫時可脫氫轉變成乙醛，亦可脫水轉變成乙烯，銀催化劑能促進前一反應，氧化鋁催化劑則促進后一反應.人體中的酶即為高選擇性的催化劑，不同的酶使許多生化過程有條不紊地進行，形成正常的生理活動，如酶遭到破壞則導致疾病或死亡.在工業上則利用催化選擇性使原料向指定的方向轉化，減少副反應.

例4（2016全國卷2. 27.節選）以丙烯、氨、氧氣為原料，在催化劑存在下生成丙烯腈（ C3 H3N）和

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____.

解析因兩個反應均為放熱量大的反應，所以兩個反應在熱力學上趨勢均很大，根據平衡移動原理，有利于提高丙烯腈平衡產率的反應條件是降低溫度、減小壓強.提高丙烯腈反應選擇性的關鍵因素是催化劑.

（2）催化劑的活性

催化劑活性指物質的催化作用的能力，也是催化劑的重要性質之一.物質對特定反應的催化活性與反應條件有關，如反應物的濃度、反應溫度等，固體催化劑作用是一種表面現象，催化活性與固體的比表面積的大小、表面上活性中心的性質和單位表面積上活性中心的數量有關.催化劑的活性并非一成不變，由于催化劑中毒、燒結等原因，催化劑在使用過程中會逐漸衰退，最終失去活性，尤其是生物酶作催化劑時，溫度對其活性的影響更靈敏.

例5 （2016全國卷2. 27.節選）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：

圖4為丙烯腈產率與反應溫度的關系曲線，最高產率對應溫度為460℃.低于460℃時，丙烯腈的產率____（填“是”或者“不是”）對應溫度下的平衡產率.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

解析 因為生成丙烯腈的反應是放熱反應，溫度升高時平衡逆向移動，則平衡產率降低，圖中低于460℃時產率隨溫度的升高而增大，說明不是對應溫度下的平衡產率，此階段反應沒達到平衡，因反應放熱，隨著反應的進行，溫度升高，反應速率增大，產率增大.460℃時反應達到平衡，產率最大.高于460℃時，溫度升高，催化劑活性可能降低，平衡逆向移動，平衡常數減小.由于副反應放熱量相對較少，會有利于副反應的進行.反應的活化能是不隨溫度改變的，因此高于460℃時，丙烯腈產率降低的可能原因選AC.

（3）固體表面催化劑

固體表面催化劑通常是一種多孑L的材料，可以是整塊材料由催化性材料制成，也可以是催化劑（如貴金屬）分散在載體表面.設想一個化學反應要在催化劑表面發生，反應介質可能是氣體也可能是液體，統稱流體.流體中的反應物首先要傳質到催化劑表面，然后再擴散到催化劑表面的活性點.至少有一種反應物要化學吸附在催化劑表面，化學反應就發生在化學吸附的反應物和后續物理吸附的反應物之間，或發生在化學吸附的反應物和從流體中碰撞催化劑表面的反應物之間.反應之后，產物解吸并擴散離開催化劑表面，在這個反應過程中，體系溫度、壓力、流體流速、催化劑結構、表面積及表面活性點濃度等都影響著反應速率.

例6（2020衡中模擬題）利用固體表面催化工藝進行NO分解的過程如圖5所示.

下列說法不正確的是（

）.

A.NO屬于共價化合物

B.O2含有非極性共價鍵

C.過程②吸收能量，過程③釋放能量

D.標準狀況下，NO分解生成11.2 L N2轉移電子數為6. 02×10 23

解析此題就是一道涉及表面催化劑的化學反應歷程題，顯然A、B均正確;從圖中可以看出，過程②發生氮氧鍵的斷裂，吸收能量，過程③發生氮氮鍵和氧氧鍵的形成，放出能量，C正確：NO分解生成N2和O2，則標準狀況下，生成11.2 L N，轉移電子數為2×6. 02×l0 23，D錯誤，

答案選D.

（4）中學化學中有哪些催化劑

中學化學中涉及的常見催化劑有：固體催化劑如合成氨反應中的鐵觸媒，硫酸工業中的五氧化二釩，過氧化氫分解中的二氧化錳、氯化鐵、硫酸銅等，酸性高錳酸鉀溶液與草酸反應中的硫酸錳，醇氧化反應中的銅或銀，有機物加氫反應和有機合成中的鎳;液體催化劑如酯化反應、糖類水解、酯的水解反應中的硫酸：生物催化劑如淀粉和蛋白質水解中的酶等等.

二、關于活化能

1.活化能的概念

原人教版教材沒有給出活化能的概念，新人教版教材作了修改，將活化能定義為：活化分子具有的平均能量與反應物分子具有的平均能量之差，叫做反應的活化能.活化能取正值，單位為kJ.mol-1.對可逆反應來說正反應的活化能就是活化分子（即反應形成的中間體或叫過渡態）的平均能量與反應物分子的平均能量之差;逆反應的活化能則是指活化分子的平均能量與正反應生成物分子的平均能量之差（即活化分子變成反應生成物分子放出的能量）.

例7（2018海南高考題）炭黑是霧霾中的重要顆粒物，研究發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圖6所示，活化氧可以快速氧化二氧化硫.下列說法正確的是（雙選）（

）.

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0-0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

解析 由圖可知每活化一個氧分子放出0. 29 eV的能量，A錯;無水時的活化能為0.75 eV，有水時活化能為0. 57 eV.水可使氧分子活化反應的活化能降低0. 18 eV，B錯;氧分子的活化過程發生了0-0的斷裂與C-O鍵的生成，C正確;題干所述炭黑將氧分子活化成活化氧，活化氧快速氧化二氧化硫，所以炭黑起著催化劑的作用，D正確，

答案選CD.

2.可逆反應的活化能與反應熱的關系

對可逆反應來說，反應熱AH=正反應活化能一逆反應活化能.

例8 （2011海南高考題）某反應的AH=+ 100 kJ.mol-1，下列有關該反應的敘述正確的是（雙選）（

）.

A.正反應活化能小于100 kJ.mol-1

B.逆反應活化能一定小于100 kJ.mol-1

C.正反應活化能不小于100 kJ-mol-l

D.正反應活化能比逆反應活化能大100 kJ.mol一’

解析因反應的△H=+ 100 kJ.mol-l，則正反應的活化能一逆反應的活化能= 100 kJ.mol-1，正反應的活化能=逆反應的活化能+ 100 kJ.mol-1，逆反應的活化能=正反應的活化能- 100 kJ.mol-1，因為正、逆反應的活化能均不可能小于0，可見A、B均錯，C、D正確.

答案選CD.

3.怎樣根據反應能量變化圖計算反應的活化能

在化學反應能量變化圖中，反應的活化能就是最高峰能量值與反應物能量值之差.

例9（2014海南高考題）某反應過程能量變化如圖7所示，下列說法正確的是（雙選）（

）.

A.反應過程a有催化劑參與

B.該反應為放熱反應，熱效應等于AH

C.改變催化劑，可改變該反應的活化能

D.有催化劑的條件下，反應的活化能等于E1+ E2

解析曲線a表示的反應過程中活化能比曲線6高，說明a是無催化劑參與反應，A錯誤;圖中反應物的總能量高于生成物的總能量，說明該反應為放熱反應，反應熱等于生成物與反應物的能量之差，即△H，B正確：若改變催化劑，則會改變反應歷程，反應的活化能也會隨之改變，C正確;有催化劑反應條件下該反應的活化能是圖中曲線b上的最高峰能量值與反應物能量值之間的差值，即E1，D錯.

答案選BC.

4.活化能與反速率的關系

反應的活化能越大，活化分子百分數越小，有效碰撞次數越少，反應速率越慢;活化能越小，活化分子百分數越大，有效碰撞次數越多，反應速率越快.

例10（2021全國甲卷28節選）二氧化碳加氫制甲醇的總反應可表示為：

該反應總反應為放熱反應，因此生成物總能量低于反應物總能量，反應①為慢反應，說明反應①的活化能高于反應②，同時反應①的反應物總能量低于生成物總能量，反應②的反應物總能量高于生成物總能量，因此示意圖中能體現反應能量變化的是A項，判斷的理由是：△H1為正值，△H2為和△H為負值，反應①的活化能大于反應②的.

5.在反應歷程圖中怎樣尋找計算最大活化能（能壘）

在反應歷程能量圖中，最大活化能（能壘）就是圖中波峰值與波谷值之差的最大值.

例11 （2019.全國卷I題28節選）水煤氣變換[ CO（g）+H2O（ g）=CO2（g）+H2（g）]是重要的化工過程，主要用于合成氨、制氫以及合成氣加工等工業領域中.我國學者結合實驗與計算機模擬結果，研究了在金催化劑表面上水煤氣變換的反應歷程，如圖所示，其中吸附在金催化劑表面上的物種用*標注.

從上述可以看出，雖然課本中只是簡單的介紹了催化劑與活化能兩個概念，但高考試題考查的角度是多方位的，如果對概念的本質內涵不了解的話，解答此類問題就會不知如何下手，也就很難順利得到正確答案，希望復習備考時進行全方位的挖掘和了解.