届高考化学难点剖析专题51高考试题中催化剂的考查讲解.docx

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届高考化学难点剖析专题51高考试题中催化剂的考查讲解

专题51高考试题中催化剂的考查

一、高考题再现

1．（2018课标Ⅱ）CH4-CO2催化重整不仅可以得到合成气（CO和H2），还对温室气体的减排具有重要意义。

回答下列问题：

（1）CH4-CO2催化重整反应为：

CH4（g）+CO2（g）=2CO（g）+2H2（g）。

已知：

C（s）+2H2（g）=CH4（g）ΔH=-75kJ·mol−1

C（s）+O2（g）=CO2（g）ΔH=-394kJ·mol−1

C（s）+1/2O2（g）=CO（g）ΔH=-111kJ·mol−1

该催化重整反应的ΔH==______kJ·mol−1。

有利于提高CH4平衡转化率的条件是____（填标号）。

A．高温低压B．低温高压C．高温高压D．低温低压

某温度下，在体积为2L的容器中加入2molCH4、1molCO2以及催化剂进行重整反应，达到平衡时CO2的转化率是50%，其平衡常数为_______mol2·L−2。

（2）反应中催化剂活性会因积碳反应而降低，同时存在的消碳反应则使积碳量减少。

相关数据如下表：

积碳反应

CH4（g）=C（s）+2H2（g）

消碳反应

CO2（g）+C（s）=2CO（g）

ΔH/（kJ·mol−1）

75

172

活化能/

（kJ·mol−1）

催化剂X

33

91

催化剂Y

43

72

①由上表判断，催化剂X____Y（填“优于”或“劣于”），理由是_________________。

在反应进料气组成、压强及反应时间相同的情况下，某催化剂表面的积碳量随温度的变化关系如图所示。

升高温度时，下列关于积碳反应、消碳反应的平衡常数（K）和速率（v）的叙述正确的是________填标号）。

A．K积、K消均增加B．v积减小，v消增加

C．K积减小，K消增加D．v消增加的倍数比v积增加的倍数大

②在一定温度下，测得某催化剂上沉积碳的生成速率方程为v=k·p（CH4）·[p（CO2）]-0.5（k为速率常数）。

在p（CH4）一定时，不同p（CO2）下积碳量随时间的变化趋势如图所示，则pa（CO2）、pb（CO2）、pc（CO2）从大到小的顺序为________________。

【答案】247A

劣于相对于催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小；而消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大ADpc（CO2）、pb（CO2）、pa（CO2）

【解析】

（1）已知：

①C（s）+2H2（g）=CH4（g）ΔH=-75kJ·mol−1

②C（s）+O2（g）=CO2（g）ΔH=-394kJ·mol−1

③C（s）+1/2O2（g）=CO（g）ΔH=-111kJ·mol−1

根据盖斯定律可知③×2－②－①即得到该催化重整反应CH4（g）+CO2（g）=2CO（g）+2H2（g）的ΔH=＋247kJ·mol−1。

正反应是体积增大的吸热反应，所以有利于提高CH4平衡转化率的条件是高温低压，答案选A；某温度下，在体积为2L的容器中加入2molCH4、1molCO2以及催化剂进行重整反应，达到平衡时CO2的转化率是50%，根据方程式可知

CH4（g）+CO2（g）=2CO（g）+2H2（g）

起始浓度（mol/L）10.500

转化浓度（mol/L）0.250.250.50.5

平衡浓度（mol/L）0.750.250.50.5

所以其平衡常数为

mol2·L−2。

2．（2018天津）CO2是一种廉价的碳资源，其综合利用具有重要意义。

回答下列问题：

（1）CO2可以被NaOH溶液捕获。

若所得溶液pH=13，CO2主要转化为______（写离子符号）；若所得溶液c（HCO3−）∶c（CO32−）=2∶1，溶液pH=___________。

（室温下，H2CO3的K1=4×10−7；K2=5×10−11）

（2）CO

2与CH4经催化重整，制得合成气：

CH4（g）+CO2（g）

2CO（g）+2H2（g）

①已知上述反应中相关的化学键键能数据如下：

化学键

C—H

C=O

H—H

C

O（CO）

键能/kJ·mol−1

413

745

436

1075

则该反应的ΔH=_________。

分别在VL恒温密闭容器A（恒容）、B（恒压，容积可变）中，加入CH4和CO2各1mol的混合气体。

两容器中反应达平衡后放出或吸收的热量较多的是_______（填“A”或“B”）。

②按一定体积比加入CH4和CO2，在恒压下发生反应，温度对CO和H2产率的影响如图3所示。

此反应优选温度为900℃的原因是________。

（3）O2辅助的Al～CO2电池工作原理如图4所示。

该电池电容量大，能有效利用CO2，电池反应产物Al2（C2O4）3是重要的化工原料。

电池的负极反应式：

________。

电池的正极反应式：

6O2+6e−

6O2−

6CO2+6O2−

3C2O42−

反应过程中O2的作用是________。

该电池的总反应式：

________。

【答案】CO32-10+120kJ·mol-1B900℃时，合成气产率已经较高，再升高温度

产率增幅不大，但能耗升高，经济效益降低。

Al–3e–=Al3+（或2Al–6e–=2Al3+）催化剂2Al+6CO2=Al2（C2O4）3

（2）①化学反应的焓变应该等于反应物键能减去生成物的键能，所以焓变为（4×413+2×745）－

（2×1075+2×436）=+120kJ·mol-1。

初始时容器A、B的压强相等，A容器恒容，随着反应的进行压强逐渐增大（气体物质的量增加）；B容器恒压，压强不变；所以达平衡时压强一定是A中大，B中小，此反应压强减小平衡正向移动，所以B的反应平衡更靠右，反应的更多，吸热也更多。

②根据图3得到，900℃时反应产率已经比较高，温度再升高，反应产率的增大并不明显，而生产中的能耗和成本明显增大，经济效益会下降，所以选择900℃为反应最佳温度。

（3）明显电池的负极为Al，所以反应一定是Al失电子，该电解质为氯化铝离子液体，所以Al失电子应转化为Al3+，方程式为：

Al–3e–=Al3+（或2Al–6e–=2Al3+）。

根据电池的正极反应，氧气再第一步被消耗，又在第二步生成，所以氧气为正极反应的催化剂。

将方程式加和得到，总反应为：

2Al+6CO2=Al2（C2

O4）3。

3．（2018江苏）NOx（主要指NO和NO2）是大气主要污染物之一。

有效去除大气中的NOx是环境保护的重要课题。

（1）用水吸收NOx的相关热化学方程式如下：

2NO2（g）+H2O（l）

HNO3（aq）+HNO2（aq）ΔH=−116.1kJ·mol−1

3HNO2（aq）

HNO3（aq）+2NO（g）+H2O（l）ΔH=75.9kJ·mol−1

反应3NO2（g）+H2O（l）

2HNO3（aq）+NO（g）的ΔH=___________kJ·mol−1。

（2）用稀硝酸吸收NOx，得到HNO3和HNO2的混合溶液，电解该混合溶液可获得较浓的硝酸。

写出电解时

阳极的电极反应式：

____________________________________。

（3）用酸性（NH2）2CO水溶液吸收NOx，吸收过程中存在HNO2与（NH2）2CO生成N2和CO2的反应。

写出该反应的化学方程式：

____________________________________。

（4）在有氧条件下，新型催化剂M能催化NH3与NOx反应生成N2。

①NH3与NO2生成N2的反应中，当生成1molN2时，转移的电子数为__________mol。

②将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体，匀速通入装有催化剂M的反应器中反应（装置见题20图−1）。

反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如题20图−2所示，在50～250℃范围内随着温度的升高，NOx的去除率先迅速上升后上升缓慢的主要原因是____________________________；当反应温度高于380℃时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是___________________________。

【答案】

（1）−136.2

（2）HNO2−2e−+H2O

3H++NO3−

（3）2HNO2+（NH2）2CO

2N2↑+CO2↑+3H2O

（4）①

②迅速上升段是催化剂活性随温度升高增大与温度升高共同使NOx去除反应速率迅速增大；上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大

催化剂活性下降；NH3与O2反应生成了NO

（2）根据电解原理，阳极发生失电子的氧化反应，阳极反应为HNO2失去电子生成HNO3，1molHNO2反应失去2mol电子，结合原子守恒和溶液呈酸性，电解时阳极电极反应式为HNO2-2e-+H2O=NO3-+3H+。

（3）HNO2与（NH2）2CO反应生成N2和CO2，N元素的化合价由HNO2中+3价降至0价，N元素的化合价由（NH2）2CO中-3价价升至0价，根据得失电子守恒和原子守恒，反应的化学方程式为

2HNO2+（NH2）2CO=2N2↑+CO2↑+3H2O。

（4）①NH3与NO2的反应为8NH3+6NO2

7N2+12H2O，该反应中NH3中-3价的N升至0价，NO2中+4价的N降至0价，生成7molN2转移24mol电子。

生成1molN2时转移电子数为

mol。

②因为反应时间相同，所以低温时主要考虑温度和催化剂对化学反应速率的影响；高温时NH3与O2发生催化氧化反应。

在50~250℃范围内，NOx的去除率迅速上升段是催化

剂活性随温度升高增大与温度升高共同使NOx去除反应速率迅速增大；上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大，温度升高催化剂活性下降。

反应温度高于380℃时，NOx的去除率迅速下降的原因可能是NH3与O2反应生成了NO，反应的化学方程式为4NH3+5O2

4NO+6H2O。

二、考点突破

1、认识催化剂

典例1关于催化剂的理解中不正确的是

A．由催化剂反应前后质量不变知催化剂不参加化学反应

B．催化剂具有高度的选择性（即催化的专一性）

C．酶是生物体内的一类催化剂

D．催化剂在化学反应前后的化学性质、质量不变

【答案】A

2、催化剂的判断

典例2现有化学反应A（g）+B（g）=AB（g） ∆H（反应过程如曲线1所示），当反应体系中加入物质K后反应分两步进行（反应过程如曲线2所示）:

①A（g）+K（g）=AK（g） ∆H1②AK（g）+B（g）=AB（g） +K（g） ∆H2，根据图像分析，下列说法正确的是

A．反应过程中AK（g）是催化剂B．加入催化剂会降低反应的∆H

C．∆H>0D．lmolA（g）和1molB（g）的总能量高于1molAB（g）的能量

【答案】D

【解析】分析：

A.根据催化剂催化原理判断；B.催化剂的作用是降低该反应发生所需要的活化能；C.根据图示判断∆H的大小；D.根据图示中反应物和生成物具有的能量判断。

详解：

根据①A（g）+K（g）=AK（g）和②AK（g）+B（g）=AB（g） +K（g）的反应，K是催化剂，AK（g）是催化剂的中间产物，所以A选项错误；催化剂的作用是降低该反应发生所需要的

活化能，但不能够改变化学反应的焓变，所以B选项错误；根据图示，反应物具有较高能量，生成物具有降低能量，该反应是放热反应，∆H<0，C选项不正确；从题干的图示观察得反应物A和B生成具有的总能量高于生成物AB的总能量，D正确。

3、催化剂加快化学反应速率

典例3下列关于催化剂的说法正确的是

A．使用催化剂可以增大正反应速率，减小逆反应速率

B．使用催化剂可以使化学平衡正向移动

C．使用催化剂可以降低反应的活化能

D．使用催化剂可以改变反应的平衡常数

【答案】C

4、催化剂不能影响化学平衡

典例4可逆反应mA（g）＋nB（g）

pC（g）+qD（g）的v-t图象如下右图，如若其它条件不变，只是在反应前加入合适的催化剂，则其v-t图象如图：

①a1＞a2②a1＜a2③b1＞b2④b1＜b2⑤t1＞t2⑥t1=t2⑦两图中阴影部分面积相等⑧右图中阴影部分面积更大，以上说法中正确的是

A．②③⑤⑧B．①④⑥⑧C．②④⑤⑦D．①③⑥⑦

【答案】C

【解析】若其它条件不变，只是在反应前加入合适的催化剂，正逆反应速率均加快，缩小达到化学平衡的时间，阴影部分的面积为反应物浓度的变化量，平衡状态没有改变，则阴影部分面积相同。

可逆反应mA（g）+nB（g）

pC（g）+qD（g）的v-t图象如图，如若其它条件不变，只是在反应前加入合适的催化剂，a1、a2为两种条件下正反应速率，催化剂加快反应速率，则a1＜a2；使用催化剂缩小达到化学平衡的时间，则加催化剂时达到平衡的反应速率大，所以b1＜b2；使用催化剂缩小达到化学平衡的时间，则t1＞t2；阴影部分的面积为反应物浓度的变化量，平衡状态没有改

变，则阴影部分面积相同；综上所述②④⑤⑦说法正确，故C正确。

5、催化剂不影响反应热

典例5下列关于热化学反应的描述中正确的是（）

A．HCl和NaOH反应的中和热△H＝-57.3kJ·mol-1，则1mol硫酸与足量氢氧化钡溶液反应放热为114.6kJ

B．H2（g）的燃烧热是285.8kJ·mol-1，则2H2O

（1）＝2H2（g）＋O2（g）反应的△H＝+571.6kJ·mol-1

C．反应物的热效应与是否使用催化剂有关

D．500℃、30MPa下，将0.5molN2和1.5molH2置于密闭的容器中充分反应生成NH3（g），放热19.3kJ，其热化学方程式为：

N2（g）+3H2（g）⇌2NH3（g）△H=-38.6kJ·mol-1

【答案】B

6、催化剂与活化能的关系

典例6某化学反应的能量变化如右图所示。

下列有关叙述正确的是

A．该反应的反应热ΔH＝E1－E2

B．

a、b分别对应有催化剂和无催化剂的能量变化

C．催化剂能降低反应的活化能

D．催化剂能改变反应的焓变

【答案】C

【解析】A、焓变△H=产物的总焓-反应物的总焓=△H=E2-E1，故A错误；B、催化剂会降低反应的活化能，

a、b分别对应无催化剂和有催化剂的能量变化，故B错误；C、催化剂能降低反应的活化能，从而加快化学反应速率，故C正确；D、加入催化剂不会改变化学反应的焓变，故D错误。

7、催化剂的选择

典例7氨催化分解既可防治氨气污染，又能得到氢能源，得到广泛研究。

（1）已知：

①反应I：

4NH3（g）＋3O2（g）

2N2（g）＋6H2O（g）　ΔH1＝－1266.6kJ·mol-1，

②H2的燃烧热ΔH2=－285.8kJ.mol-1

③水的气化时ΔH3=+44.0kJ.mol-1

反应I热力学趋势很大（平衡常数很大）的原因为______________________________；NH3分解的热化学方程式________________________________。

（2）在Co-Al催

化剂体系中，压强P0下氨气以一定流速通过反应器，得到不同催化剂下氨气转化率随温度变化曲线如下图，活化能最小的催化剂为_______，温度高时NH3的转化率接近平衡转化率的原因

_______________。

如果增大气体流速，则b点对应的点可能为______（填“a”、“c”、“d”、“e”或“f”）；

（3）温度为T时，体积为1L的密闭容器中加入0.8molNH3和0.1molH2，30min达到平衡时，N2体积分数为20%，则T时平衡常数K=______，NH3分解率为_____；达到平衡后再加入0.8molNH3和0.1molH2，NH3的转化率________（填“增大”、“不变”、“减小”）。

（4）以KNH2为电解质溶液电解NH3，其工作原理如下图所示，则阳极电极反应为_________。

【答案】放热量很大的反应2NH3（g）

N2（g）+3H2（g）△H=+92.1k

J·mol－190CoAl平衡转化率随温度升高而增大，此反应为吸热反应，温度升高，反应速率加快，转化率接近平衡转化率e7.575%减小

6NH2--6e-=N2↑+4NH3↑

【解析】

（1）反应I的ΔH1＝－1266.6kJ·mol-1，放热量很大，故热力学趋势很大；根据盖斯定律可知①：

4NH3（g）＋3O2（g）

2N2（g）＋6H2O（g）　ΔH1＝－1266.6kJ·mol-1，②

H2的燃烧热H2（g）+1/2O2（g）=H2O

（l）ΔH2=－285.8kJ.mol-1③水的气化时H2O（l）=H2O（g）ΔH3=+44.0kJ.mol-1，④2NH3（g）

N2（g）+3H2（g）△H，根据盖斯定律可知④=1/2[①-6（②+③）]，即△H=1/2[－1266.6kJ·mol-1-6（－285.8kJ.mol-1+44.0kJ.mol-1）]=92.1kJ·mol－1，所以2NH3（g）

N2（g）+3H2（g）△H=+92.1kJ·mol－1；

（3）由题给数据可知，设氮气平衡时氮气的物质的量为xmol

，则：

     2NH3（g）

N2（g）+3H2（g）

初始量（mol） 0.8  0  0.1

变化量（mol）2xx3x

平衡量（mol）0.8-2x x 0.1+3x

相同条件下气体的物质的量之比等于体积之比，所以达到平衡时N2的体积分数为：

，解得：

x=0.3mol，故平衡常数K=

，NH3分解率为

，达到平衡后再加入0.8molNH3和0.1molH2，容器中压强增大，反应向逆向移动，所以氨气的转化率减小；

（4）在电解池中，阳极失去电子，发生氧化反应，根据图示可知右侧为阳极，电极反应为：

6NH2--6e-=N2↑+4NH3↑。