2022高考化學(xué) 難點剖析 專題51 高考試題中催化劑的考查講解

2022高考化學(xué) 難點剖析 專題51 高考試題中催化劑的考查講解一、高考題再現(xiàn)1（2018課標(biāo)）CH4-CO2催化重整不僅可以得到合成氣（CO和H2），還對溫室氣體的減排具有重要意義?；卮鹣铝袉栴}：（1）CH4-CO2催化重整反應(yīng)為：CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)。已知：C(s)+2H2(g)=CH4(g) H=-75 kJ·mol1C(s)+O2(g)=CO2(g) H=-394 kJ·mol1C(s)+1/2O2(g)=CO(g) H=-111 kJ·mol1該催化重整反應(yīng)的H=_ kJ·mol1。有利于提高CH4平衡轉(zhuǎn)化率的條件是_（填標(biāo)號）。A高溫低壓 B低溫高壓 C高溫高壓 D低溫低壓某溫度下，在體積為2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化劑進行重整反應(yīng)，達到平衡時CO2的轉(zhuǎn)化率是50%，其平衡常數(shù)為_mol2·L2。（2）反應(yīng)中催化劑活性會因積碳反應(yīng)而降低，同時存在的消碳反應(yīng)則使積碳量減少。相關(guān)數(shù)據(jù)如下表：積碳反應(yīng)CH4(g)=C(s)+2H2(g)消碳反應(yīng)CO2(g)+C(s)=2CO(g)H/(kJ·mol1)75172活化能/(kJ·mol1)催化劑X3391催化劑Y4372由上表判斷，催化劑X_Y（填“優(yōu)于”或“劣于”），理由是_。在反應(yīng)進料氣組成、壓強及反應(yīng)時間相同的情況下，某催化劑表面的積碳量隨溫度的變化關(guān)系如圖所示。升高溫度時，下列關(guān)于積碳反應(yīng)、消碳反應(yīng)的平衡常數(shù)（K）和速率（v）的敘述正確的是_填標(biāo)號）。AK積、K消均增加 Bv積減小，v消增加 CK積減小，K消增加 Dv消增加的倍數(shù)比v積增加的倍數(shù)大在一定溫度下，測得某催化劑上沉積碳的生成速率方程為v=k·p(CH4)·p(CO2)-0.5（k為速率常數(shù)）。在p(CH4)一定時，不同p(CO2)下積碳量隨時間的變化趨勢如圖所示，則pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)從大到小的順序為_?！敬鸢浮?47 A 劣于 相對于催化劑X，催化劑Y積碳反應(yīng)的活化能大，積碳反應(yīng)的速率??；而消碳反應(yīng)活化能相對小，消碳反應(yīng)速率大 AD pc(CO2)、pb(CO2)、pa(CO2)【解析】（1）已知：C(s)+2H2(g)=CH4(g) H=-75 kJ·mol1C(s)+O2(g)=CO2(g) H=-394 kJ·mol1C(s)+1/2O2(g)=CO(g) H=-111 kJ·mol1根據(jù)蓋斯定律可知×2即得到該催化重整反應(yīng)CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)的H=247 kJ·mol1。正反應(yīng)是體積增大的吸熱反應(yīng)，所以有利于提高CH4平衡轉(zhuǎn)化率的條件是高溫低壓，答案選A；某溫度下，在體積為2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化劑進行重整反應(yīng)，達到平衡時CO2的轉(zhuǎn)化率是50%，根據(jù)方程式可知CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)起始濃度（mol/L） 1 0.5 0 0轉(zhuǎn)化濃度（mol/L） 0.25 0.25 0.5 0.5平衡濃度（mol/L） 0.75 0.25 0.5 0.5所以其平衡常數(shù)為mol2·L2。2（2018天津）CO2是一種廉價的碳資源，其綜合利用具有重要意義?；卮鹣铝袉栴}：（1）CO2可以被NaOH溶液捕獲。若所得溶液pH=13，CO2主要轉(zhuǎn)化為_（寫離子符號）；若所得溶液c(HCO3)c(CO32)=21，溶液pH=_。（室溫下，H2CO3的K1=4×107；K2=5×1011）（2）CO2與CH4經(jīng)催化重整，制得合成氣：CH4(g)+ CO2(g) 2CO (g)+ 2H2(g)已知上述反應(yīng)中相關(guān)的化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下：化學(xué)鍵CHC=OHHCO(CO)鍵能/kJ·mol14137454361075則該反應(yīng)的H=_。分別在VL恒溫密閉容器A（恒容）、B（恒壓，容積可變）中，加入CH4和CO2各1 mol的混合氣體。兩容器中反應(yīng)達平衡后放出或吸收的熱量較多的是_（填“A” 或“B ”）。按一定體積比加入CH4和CO2，在恒壓下發(fā)生反應(yīng)，溫度對CO和H2產(chǎn)率的影響如圖3所示。此反應(yīng)優(yōu)選溫度為900的原因是_。（3）O2輔助的AlCO2電池工作原理如圖4所示。該電池電容量大，能有效利用CO2，電池反應(yīng)產(chǎn)物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。電池的負極反應(yīng)式：_。電池的正極反應(yīng)式：6O2+6e6O26CO2+6O23C2O42反應(yīng)過程中O2的作用是_。該電池的總反應(yīng)式：_?！敬鸢浮?CO32- 10 +120 kJ·mol-1 B 900 時，合成氣產(chǎn)率已經(jīng)較高，再升高溫度產(chǎn)率增幅不大，但能耗升高，經(jīng)濟效益降低。 Al3e=Al3+（或2Al6e=2Al3+） 催化劑 2Al+6CO2=Al2(C2O4)3（2）化學(xué)反應(yīng)的焓變應(yīng)該等于反應(yīng)物鍵能減去生成物的鍵能，所以焓變?yōu)?4×413+2×745)(2×1075+2×436)= +120 kJ·mol-1。初始時容器A、B的壓強相等，A容器恒容，隨著反應(yīng)的進行壓強逐漸增大（氣體物質(zhì)的量增加）；B容器恒壓，壓強不變；所以達平衡時壓強一定是A中大，B中小，此反應(yīng)壓強減小平衡正向移動，所以B的反應(yīng)平衡更靠右，反應(yīng)的更多，吸熱也更多。根據(jù)圖3得到，900時反應(yīng)產(chǎn)率已經(jīng)比較高，溫度再升高，反應(yīng)產(chǎn)率的增大并不明顯，而生產(chǎn)中的能耗和成本明顯增大，經(jīng)濟效益會下降，所以選擇900為反應(yīng)最佳溫度。（3）明顯電池的負極為Al，所以反應(yīng)一定是Al失電子，該電解質(zhì)為氯化鋁離子液體，所以Al失電子應(yīng)轉(zhuǎn)化為Al3+，方程式為：Al3e=Al3+（或2Al6e=2Al3+）。根據(jù)電池的正極反應(yīng)，氧氣再第一步被消耗，又在第二步生成，所以氧氣為正極反應(yīng)的催化劑。將方程式加和得到，總反應(yīng)為：2Al+6CO2=Al2(C2O4)3。3（2018江蘇）NOx（主要指NO和NO2）是大氣主要污染物之一。有效去除大氣中的NOx是環(huán)境保護的重要課題。（1）用水吸收NOx的相關(guān)熱化學(xué)方程式如下：2NO2（g）+H2O（l）HNO3（aq）+HNO2（aq） H=116.1 kJ·mol13HNO2（aq）HNO3（aq）+2NO（g）+H2O（l） H=75.9 kJ·mol1反應(yīng)3NO2（g）+H2O（l）2HNO3（aq）+NO（g）的H=_kJ·mol1。（2）用稀硝酸吸收NOx，得到HNO3和HNO2的混合溶液，電解該混合溶液可獲得較濃的硝酸。寫出電解時陽極的電極反應(yīng)式：_。（3）用酸性(NH2)2CO水溶液吸收NOx，吸收過程中存在HNO2與(NH2)2CO生成N2和CO2的反應(yīng)。寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式：_。（4）在有氧條件下，新型催化劑M能催化NH3與NOx反應(yīng)生成N2。NH3與NO2生成N2的反應(yīng)中，當(dāng)生成1 mol N2時，轉(zhuǎn)移的電子數(shù)為_mol。將一定比例的O2、NH3和NOx的混合氣體，勻速通入裝有催化劑M的反應(yīng)器中反應(yīng)（裝置見題20圖1）。反應(yīng)相同時間NOx的去除率隨反應(yīng)溫度的變化曲線如題20圖2所示，在50250 范圍內(nèi)隨著溫度的升高，NOx的去除率先迅速上升后上升緩慢的主要原因是_；當(dāng)反應(yīng)溫度高于380 時，NOx的去除率迅速下降的原因可能是_?！敬鸢浮浚?）136.2（2）HNO22e+H2O3H+NO3（3）2HNO2+(NH2)2CO2N2+CO2+3H2O（4）迅速上升段是催化劑活性隨溫度升高增大與溫度升高共同使NOx去除反應(yīng)速率迅速增大；上升緩慢段主要是溫度升高引起的NOx去除反應(yīng)速率增大催化劑活性下降；NH3與O2反應(yīng)生成了NO（2）根據(jù)電解原理，陽極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，陽極反應(yīng)為HNO2失去電子生成HNO3，1molHNO2反應(yīng)失去2mol電子，結(jié)合原子守恒和溶液呈酸性，電解時陽極電極反應(yīng)式為HNO2-2e-+H2O=NO3-+3H+。（3）HNO2與（NH2）2CO反應(yīng)生成N2和CO2，N元素的化合價由HNO2中+3價降至0價，N元素的化合價由（NH2）2CO中-3價價升至0價，根據(jù)得失電子守恒和原子守恒，反應(yīng)的化學(xué)方程式為2HNO2+（NH2）2CO=2N2+CO2+3H2O。（4）NH3與NO2的反應(yīng)為8NH3+6NO27N2+12H2O，該反應(yīng)中NH3中-3價的N升至0價，NO2中+4價的N降至0價，生成7molN2轉(zhuǎn)移24mol電子。生成1molN2時轉(zhuǎn)移電子數(shù)為mol。因為反應(yīng)時間相同，所以低溫時主要考慮溫度和催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響；高溫時NH3與O2發(fā)生催化氧化反應(yīng)。在50250范圍內(nèi)，NOx的去除率迅速上升段是催化劑活性隨溫度升高增大與溫度升高共同使NOx去除反應(yīng)速率迅速增大；上升緩慢段主要是溫度升高引起的NOx去除反應(yīng)速率增大，溫度升高催化劑活性下降。反應(yīng)溫度高于380時，NOx的去除率迅速下降的原因可能是NH3與O2反應(yīng)生成了NO，反應(yīng)的化學(xué)方程式為4NH3+5O24NO+6H2O。二、考點突破1、認(rèn)識催化劑典例1關(guān)于催化劑的理解中不正確的是A由催化劑反應(yīng)前后質(zhì)量不變知催化劑不參加化學(xué)反應(yīng)B催化劑具有高度的選擇性(即催化的專一性)C酶是生物體內(nèi)的一類催化劑D催化劑在化學(xué)反應(yīng)前后的化學(xué)性質(zhì)、質(zhì)量不變【答案】A2、催化劑的判斷典例2現(xiàn)有化學(xué)反應(yīng)A(g)+B(g)=AB(g) H(反應(yīng)過程如曲線1所示)，當(dāng)反應(yīng)體系中加入物質(zhì)K后反應(yīng)分兩步進行(反應(yīng)過程如曲線2所示):A(g)+K(g)=AK(g) H1 AK(g)+B(g)=AB(g) +K(g) H2，根據(jù)圖像分析，下列說法正確的是A 反應(yīng)過程中AK(g)是催化劑 B 加入催化劑會降低反應(yīng)的HC H>0 D lmolA(g)和1molB(g)的總能量高于1molAB(g)的能量【答案】D【解析】分析：A. 根據(jù)催化劑催化原理判斷；B.催化劑的作用是降低該反應(yīng)發(fā)生所需要的活化能；C. 根據(jù)圖示判斷H的大?。籇.根據(jù)圖示中反應(yīng)物和生成物具有的能量判斷。詳解：根據(jù)A(g)+K(g)=AK(g)和 AK(g)+B(g)=AB(g) +K(g)的反應(yīng)，K是催化劑，AK(g)是催化劑的中間產(chǎn)物，所以A選項錯誤；催化劑的作用是降低該反應(yīng)發(fā)生所需要的活化能，但不能夠改變化學(xué)反應(yīng)的焓變，所以B選項錯誤； 根據(jù)圖示，反應(yīng)物具有較高能量，生成物具有降低能量，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，H<0，C選項不正確；從題干的圖示觀察得反應(yīng)物A和B生成具有的總能量高于生成物AB的總能量，D正確。3、催化劑加快化學(xué)反應(yīng)速率典例3下列關(guān)于催化劑的說法正確的是A 使用催化劑可以增大正反應(yīng)速率，減小逆反應(yīng)速率B 使用催化劑可以使化學(xué)平衡正向移動C 使用催化劑可以降低反應(yīng)的活化能D 使用催化劑可以改變反應(yīng)的平衡常數(shù)【答案】C4、催化劑不能影響化學(xué)平衡典例4可逆反應(yīng)mA(g)nB(g)pC(g)+qD(g)的v-t圖象如下右圖，如若其它條件不變，只是在反應(yīng)前加入合適的催化劑，則其v-t圖象如圖：a1a2 a1a2 b1b2 b1b2 t1t2 t1=t2 兩圖中陰影部分面積相等 右圖中陰影部分面積更大，以上說法中正確的是A B C D 【答案】C【解析】若其它條件不變，只是在反應(yīng)前加入合適的催化劑，正逆反應(yīng)速率均加快，縮小達到化學(xué)平衡的時間，陰影部分的面積為反應(yīng)物濃度的變化量，平衡狀態(tài)沒有改變，則陰影部分面積相同。可逆反應(yīng)mA（g）+nB（g）pC（g）+qD（g）的v-t圖象如圖，如若其它條件不變，只是在反應(yīng)前加入合適的催化劑，a1、a2為兩種條件下正反應(yīng)速率，催化劑加快反應(yīng)速率，則a1a2；使用催化劑縮小達到化學(xué)平衡的時間，則加催化劑時達到平衡的反應(yīng)速率大，所以b1b2；使用催化劑縮小達到化學(xué)平衡的時間，則t1t2；陰影部分的面積為反應(yīng)物濃度的變化量，平衡狀態(tài)沒有改變，則陰影部分面積相同；綜上所述說法正確，故C正確。5、催化劑不影響反應(yīng)熱典例5下列關(guān)于熱化學(xué)反應(yīng)的描述中正確的是（ ）A HCl和NaOH反應(yīng)的中和熱H-57.3 kJ·mol-1，則1 mol硫酸與足量氫氧化鋇溶液反應(yīng)放熱為114.6 kJB H2(g)的燃燒熱是285.8 kJ·mol-1，則2H2O（1）2H2(g)O2(g)反應(yīng)的H+571.6kJ·mol-1C 反應(yīng)物的熱效應(yīng)與是否使用催化劑有關(guān)D 500、30 MPa下，將0.5 mol N2和1.5 mol H2置于密閉的容器中充分反應(yīng)生成NH3(g)，放熱19.3 kJ，其熱化學(xué)方程式為：N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) H= -38.6 kJ·mol-1【答案】B6、催化劑與活化能的關(guān)系典例6某化學(xué)反應(yīng)的能量變化如右圖所示。下列有關(guān)敘述正確的是A該反應(yīng)的反應(yīng)熱HE1E2Ba、b分別對應(yīng)有催化劑和無催化劑的能量變化C催化劑能降低反應(yīng)的活化能D催化劑能改變反應(yīng)的焓變【答案】C【解析】A、焓變H=產(chǎn)物的總焓-反應(yīng)物的總焓=H=E2-E1，故A錯誤；B、催化劑會降低反應(yīng)的活化能，a、b分別對應(yīng)無催化劑和有催化劑的能量變化，故B錯誤；C、催化劑能降低反應(yīng)的活化能，從而加快化學(xué)反應(yīng)速率，故C正確；D、加入催化劑不會改變化學(xué)反應(yīng)的焓變，故D錯誤。7、催化劑的選擇典例7氨催化分解既可防治氨氣污染，又能得到氫能源，得到廣泛研究。（1）已知：反應(yīng)I：4NH3(g)3O2(g)2N2(g)6H2O(g)H11266.6 kJ·mol-1，H2的燃燒熱H2=285.8 kJ.mol-1 水的氣化時H3=+44.0 kJ.mol-1反應(yīng)I熱力學(xué)趨勢很大（平衡常數(shù)很大）的原因為_；NH3分解的熱化學(xué)方程式_。（2）在Co-Al催化劑體系中，壓強P0下氨氣以一定流速通過反應(yīng)器，得到不同催化劑下氨氣轉(zhuǎn)化率隨溫度變化曲線如下圖，活化能最小的催化劑為_，溫度高時NH3的轉(zhuǎn)化率接近平衡轉(zhuǎn)化率的原因_。如果增大氣體流速，則b點對應(yīng)的點可能為_（填“a”、“c”、“d”、“e”或“f”）；（3）溫度為T時，體積為1L的密閉容器中加入0.8molNH3和0.1molH2，30min達到平衡時，N2體積分?jǐn)?shù)為20%，則T時平衡常數(shù)K=_，NH3分解率為_；達到平衡后再加入0.8molNH3和0.1molH2，NH3的轉(zhuǎn)化率_（填“增大”、“不變”、“減小”）。（4）以KNH2為電解質(zhì)溶液電解NH3，其工作原理如下圖所示，則陽極電極反應(yīng)為_?！敬鸢浮糠艧崃亢艽蟮姆磻?yīng)2NH3(g)N2(g)+3H2(g) H=+92.1kJ·mol190CoAl平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大，此反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度升高，反應(yīng)速率加快，轉(zhuǎn)化率接近平衡轉(zhuǎn)化率e7.575%減小6NH2-6e-=N2+4NH3【解析】（1）反應(yīng)I的H11266.6 kJ·mol-1，放熱量很大，故熱力學(xué)趨勢很大；根據(jù)蓋斯定律可知：4NH3(g)3O2(g)2N2(g)6H2O(g)H11266.6 kJ·mol-1，H2的燃燒熱H2(g)+1/2O2(g)= H2O(l) H2=285.8 kJ.mol-1 水的氣化時H2O(l)= H2O(g) H3=+44.0 kJ.mol-1，2NH3(g)N2(g)+3H2(g) H，根據(jù)蓋斯定律可知=1/2-6(+)，即H=1/21266.6 kJ·mol-1-6(285.8 kJ.mol-1+44.0 kJ.mol-1)= 92.1kJ·mol1，所以2NH3(g)N2(g)+3H2(g) H=+92.1kJ·mol1；（3）由題給數(shù)據(jù)可知，設(shè)氮氣平衡時氮氣的物質(zhì)的量為xmol，則：         2NH3(g)N2(g)+3H2(g)初始量（mol）  0.8    0   0.1變化量（mol） 2x x 3x平衡量（mol） 0.8-2x   x   0.1+3x相同條件下氣體的物質(zhì)的量之比等于體積之比，所以達到平衡時N2的體積分?jǐn)?shù)為： ，解得：x=0.3mol，故平衡常數(shù)K= ，NH3分解率為 ，達到平衡后再加入0.8molNH3和0.1molH2，容器中壓強增大，反應(yīng)向逆向移動，所以氨氣的轉(zhuǎn)化率減??；（4）在電解池中，陽極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，根據(jù)圖示可知右側(cè)為陽極，電極反應(yīng)為：6NH2-6e-=N2+4NH3。