2016年高考“明星”考点
——催化剂
2017-03-28四川卢敬萱
四川 卢敬萱
(作者单位：四川大学华西药学院)
2016年高考“明星”考点
——催化剂
据统计，约有80%～85%的化工生产过程使用催化剂，催化剂的研究和应用是21世纪化学的一个极具魅力和应用前景的重大主题，2016年高考试题对此表现出极大的关注。本文以2016年高考试题为线索，揭示催化剂这一隐性考点命题规律及备考策略。
考点1:理论与实验双重探究催化剂的催化过程
【例1】(北京，27节选)以废旧铅酸电池中的含铅废料(Pb、PbO、PbO2、PbSO4及炭黑等)和H2SO4为原料，制备高纯PbO，实现铅的再生利用。其工作流程如下：
(1)过程Ⅰ中，在Fe2+催化下，Pb和PbO2反应生成PbSO4的化学方程式是___________。
(2)过程Ⅰ中，Fe2+催化过程可表示为：
ⅱ: ……
①写出ⅱ的离子方程式：___________。
②下列实验方案可证实上述催化过程。将实验方案补充完整。
a.向酸化的FeSO4溶液中加入KSCN溶液，溶液几乎无色，再加入少量PbO2，溶液变红。
b.___________。
催化剂的特点是“一变两不变”, “一变”是能改变其他物质的化学反应速率，“改变”包括加快和减慢。“两不变” 是质量和化学性质在化学变化前后不发生改变。
考点2：实验数据助推催化剂的筛选
【例2】(浙江，28节选)催化还原CO2是解决温室效应及能源问题的重要手段之一。研究表明，在Cu/ZnO催化剂存在下，CO2和H2可发生两个平行反应，分别生成CH3OH和CO。反应的热化学方程式如下：
ΔH1=-53.7 kJ·mol-1Ⅰ
某实验室控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2，在相同压强下，经过相同反应时间测得如下实验数据：
T(K)催化剂CO2转化率(%)甲醇选择性(%)543Cat.112.342.3543Cat.210.972.7553Cat.115.339.1553Cat.212.071.6
【备注】Cat.1：Cu/ZnO纳米棒；Cat.2：Cu/ZnO纳米片；甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醇的百分比
已知：①CO和H2的标准燃烧热分别为-283.0 kJ·mol-1和-285.8 kJ·mol-1
请回答(不考虑温度对ΔH的影响)：(1)反应Ⅱ的ΔH2=________kJ·mol-1。
(2)有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有___________。
A．使用催化剂Cat.1
B．使用催化剂Cat.2
C．降低反应温度
D．投料比不变，增加反应物的浓度
E．增大CO2和H2的初始投料比
(3)表中实验数据表明，在相同温度下不同的催化剂对CO2转化成CH3OH的选择性有显著的影响，其原因是___________。
(4)在下图中分别画出反应Ⅰ在无催化剂、有Cat.1和有Cat.2三种情况下“反应过程～能量”示意图。
(2)A项，使用催化剂Cat.1，平衡不移动，不能提高转化率，A错；B项，使用催化剂Cat.2，不能提高转化率，B错；C项，降低反应温度，平衡正向移动，可增大转化率，C正确；D项，投料比不变，增加反应物的浓度，相当于增大压强，平衡正向移动，可增大CO2转化率，D正确；E项，增大 CO2和H2的初始投料比，可增大氢气的转化率，二氧化碳的转化率减小，E错；答案选CD。
(3)催化剂的设计与选择，目前主要依靠经验采取筛选的方法，从表中数据分析，首先观察相同温度下，不同的催化剂，二氧化碳的转化率不同。得出结论1：不同的催化剂的催化能力不同。再分析不同温度相同的催化剂，二氧化碳的转化率不同，且温度高的转化率大，由于正反应为放热反应，温度高转化率应该小才符合勒夏特列原理，实验数据违反该原理，得出结论2：表中数据是未达到平衡时的数据。因而在该时刻下对甲醇选择性有影响。
(4)从表中数据分析，在催化剂Cat.2的作用下，甲醇的选择性更大，说明催化剂Cat.2对反应Ⅰ催化效果更好，催化剂能降低反应的活化能，说明使用催化剂Cat.2的反应过程中活化能更低，所画图示为
考点3：真实化工生产情景中分析催化剂对化学反应的影响
有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是________；提高丙烯腈反应选择性的关键因素是___________。
(2)图(a)为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应的温度为460℃。低于460℃时，丙烯腈的产率________(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡转化率，判断理由是________；高于460℃时，丙烯腈产率降低的可能原因是________(双选，填标号)。
A.催化剂活性降低________ B.平衡常数变大
C.副反应增多___________D.反应活化能增大
【解析】(1)分析丙烯腈反应特点，气体体积增大的放热反应，根据勒夏特列原理采取降低反应温度和降低压强措施，有利于提高丙烯腈平衡产率。催化剂如果具有较高的选择性，则可以选择性地催化工业生产所需的主反应，而大大减少副反应的发生和副产物的生成。这不仅可以增大原料的利用率，而且可以简化反应后产物的净化、提纯处理等流程，节约成本。提高丙烯腈反应选择性的关键因素是催化剂。
(2)先分析温度对化学平衡的影响关系，该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低，事实是低于460℃时，丙烯腈的产率曲线是上升的，由此判断低于460℃时，丙烯腈的产率不是对应温度下的平衡转化率。答案具体表述为：不是，该反应为放热反应，平衡产率应随温度升高而降低。
A选项，催化剂的催化能力一般叫作催化活性。各种催化剂都具有一定的活性最强的温度范围，这个温度范围叫作催化剂的活性温度。若温度过高，活性降低，A正确；B选项，由ΔH=-515 kJ·mol-1可知，升高温度平衡常数变小，B错；C选项，副产物有丙烯醛，催化剂活性降低，副反应增多，导致产率下降，C正确；D选项，Ea(活化能)=E(活化分子的平均能量)-E(普通分子的平均能量)。一般认为温度对反应的活化能无影响，但在温度升高较大时还是会降低反应的活化能的，D错。答案选AC。
考点4：催化剂多重性质对化学反应的影响
【例4】(上海，33节选)乙酸乙酯广泛用于药物、染料、香料等工业，中学化学实验常用如下装置来制备
完成下列填空：
实验时，通常加入过量的乙醇，原因是________。加入数滴浓硫酸即能起催化作用，但实际用量多于此量，原因是____________；浓硫酸用量又不能过多，原因是___________。
【解析】酯化反应是可逆反应，主要利用勒夏特列原理分析问题，加入过量的乙醇增大反应物浓度，使平衡向生成酯的方向移动，提高酯的产率。浓硫酸有三个特性，吸水性、脱水性、强氧化性，实际用量多于此量，原因是浓H2SO4能吸收生成的水，使平衡向生成酯的方向移动，提高酯的产率。浓硫酸用量又不能过多，原因是浓H2SO4具有强氧化性和脱水性，会使有机物碳化，降低酯的产率。
催化剂备考策略
催化原理：改变反应路径，使反应所需的活化能降低。活化能是能量，活化能高反应的难度大，反应速率慢。
三种教材三种图：
理想催化剂的特性：选择性(是指给定条件下反应物之间能够同时发生多个反应情况下，催化剂可以大幅度提高目标产物在最终产物中的比率，酶的选择性极高)。
选择反应温度依据之一：在选择某反应的温度时，首先应考虑催化剂的活性温度，以便最大限度地发挥催化剂的作用。
催化剂中毒：由于某些物质(反应原料中带入的杂质、催化剂自身的某些杂质、反应产物或副产物)的作用而使催化活性衰退或丧失的现象。
催化剂影响速率不影响化学平衡：对于可逆反应，催化剂同等程度地改变正逆反应速率，因而不能改变反应物的转化率，但可缩短反应达到化学平衡的时间。
周期表中催化剂寻找区域：过渡元素区。
中学中常用的催化剂：酶是蛋白质，也是催化剂。二氧化锰、五氧化二矾、铁触媒、铂铑催化剂、Ni、Cu、浓硫酸、稀硫酸。
(作者单位：四川大学华西药学院)
