刍议催化剂与活化能

王积斌

催化剂是化工生产中的重要物质，许多化学反应由于使用催化剂降低了反应的活化能使应速率大大加快，从而降低了生产成本，提高了生产效率，因此催化剂与活化能的概念成为高考命题的一个热点，因许多考生对催化剂与活化能的概念理解得不够准确，导致答题出错，现作如下解读，以供参考.

一、关于催化剂

1.催化剂是否参与反应

义务教育九年级化学课本中催化剂的概念为：“在化学反应里能改变其他物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化的物质叫做催化剂（又叫触媒）”.由于初中化学没有从反应历程的角度讲催化剂的作用，加上高中化学课本也没有对此作具体介绍，因此学生都认为催化剂不参与化学反应，这是错误的.催化剂能够改变化学反应速率的原因就是因为它参与了化学反应，形成了中间过渡态，改变了反应历程，从而降低了反应的活化能，使反应速率加快，之所以反应前后催化剂的质量和化学性质保持不变，是因为它在反应中与反应物形成了中间体，而在后续反应步骤中又全部释放出来了，也就是说催化剂是在反应中是“前进后出，进出等量”的物质，

例1 （2018年房山模拟）三效催化剂是最为常见的汽车尾气催化剂，其催化剂表面物质转化的关系如图1所示，下列说法正确的是（

）.

A.在转化过程中，氮元素均被还原

B.依据图示判断催化剂不参与储存和还原过程

C.还原过程中生成0.1 mol N2，转移电子数为0.5 NA

D.三效催化剂能有效实现汽车尾气中CO、CxHy、NOx三种成分的净化

解析从转化关系图可以看出，储存过程中氮元素被氧化，还原过程中氮元素被还原，A错;催化剂显然参与储存和还原过程.B错：还原过程中氮元素从+5价降到0价，每生成1 mol N，转移10 mol电子，则生成0.1 mol N2，转移电子数为1M，C错;此转化过程中的反应物为CO、CxHy、NOx、O2，生成物N2、H2O、CO2，D正确，

答案选D.

2.催化剂是否改变反应热

化学反应的热效应是由于旧化学键的断裂和新化学键的形成引发的能量差导致的，所以反应热只与反应的始态和终态（即反应物和生成物）有关，与反应过程无关，催化剂只能改变反应历程，不能改变反应物和生成物，因此不能改变反应热.

例2 （2020天津高考题）理论研究表明，在101 kPa和298 K下HCN（ g）==HNC（g）异构化反应过程的能量变化如图2所示，下列说法错误的是（

）.

答案选D.

3.催化剂对反应物的转化率或生成物的产率有无影响

许多反应由于使用催化剂加快了反应的速率，从而提高了反应过程中单位时间内反应物的转化量和产物的生成量，因此在反应未达到平衡之前使用催化剂可以提高反应物的转化率和生成物的产率，当反应在一定条件下达到平衡时，反应物的转化率和生成物的产率是该反应条件下的最大值，若再使用催化剂因不能改变反应的进程，故催化剂不改变平衡转化率和产率，

例3（2018北京高考题）我国科研人员提出了由CO，和CH4转化为高附加值产品CH，COOH的催化反应历程.该历程如图3所示.下列说法不正确的是（

）.

A.生成CH3COOH总反应的原子利用率为100%

B.CH4-CH3COOH过程中，有C-H键发生断裂

C.①一②放出能量并形成了C-C键

D.该催化剂可有效提高反应物的平衡转化率

解析 CO2和CH4转化为CH3COOH的反应是碳氧双键的加成反应，没有其他物质生成，故原子利用率为100%.A正确：据图示知，CH4选择性活化变为①过程中，有1个C-H键发生断裂，B正确;图中①的总能量高于②的总能量，①一②放出能量并形成C-C键，C正确：催化剂不影响化学平衡，不能提高反应物的平衡转化率，D错误.

答案选D.

4.催化剂的使用需注意哪些问题

（1）选择性

催化剂的选择性是催化剂的重要性质之一，指在能发生多种反应的反应系统中，同一催化剂促进不同反应的程度的比较，如乙醇在高温时可脱氢转变成乙醛，亦可脱水转变成乙烯，银催化剂能促进前一反应，氧化铝催化剂则促进后一反应.人体中的酶即为高选择性的催化剂，不同的酶使许多生化过程有条不紊地进行，形成正常的生理活动，如酶遭到破坏则导致疾病或死亡.在工业上则利用催化选择性使原料向指定的方向转化，减少副反应.

例4（2016全国卷2. 27.节选）以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈（ C3 H3N）和

两个反应在热力学上趋势均很大，其原因是____：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____.

解析因两个反应均为放热量大的反应，所以两个反应在热力学上趋势均很大，根据平衡移动原理，有利于提高丙烯腈平衡产率的反应条件是降低温度、减小压强.提高丙烯腈反应选择性的关键因素是催化剂.

（2）催化剂的活性

催化剂活性指物质的催化作用的能力，也是催化剂的重要性质之一.物质对特定反应的催化活性与反应条件有关，如反应物的浓度、反应温度等，固体催化剂作用是一种表面现象，催化活性与固体的比表面积的大小、表面上活性中心的性质和单位表面积上活性中心的数量有关.催化剂的活性并非一成不变，由于催化剂中毒、烧结等原因，催化剂在使用过程中会逐渐衰退，最终失去活性，尤其是生物酶作催化剂时，温度对其活性的影响更灵敏.

例5 （2016全国卷2. 27.節选）以丙烯、氨、氧气为原料，在催化剂存在下生成丙烯腈（ C3H3N）和副产物丙烯醛（C3H4O）的热化学方程式如下：

图4为丙烯腈产率与反应温度的关系曲线，最高产率对应温度为460℃.低于460℃时，丙烯腈的产率____（填“是”或者“不是”）对应温度下的平衡产率.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 因为生成丙烯腈的反应是放热反应，温度升高时平衡逆向移动，则平衡产率降低，图中低于460℃时产率随温度的升高而增大，说明不是对应温度下的平衡产率，此阶段反应没达到平衡，因反应放热，随着反应的进行，温度升高，反应速率增大，产率增大.460℃时反应达到平衡，产率最大.高于460℃时，温度升高，催化剂活性可能降低，平衡逆向移动，平衡常数减小.由于副反应放热量相对较少，会有利于副反应的进行.反应的活化能是不随温度改变的，因此高于460℃时，丙烯腈产率降低的可能原因选AC.

（3）固体表面催化剂

固体表面催化剂通常是一种多孑L的材料，可以是整块材料由催化性材料制成，也可以是催化剂（如贵金属）分散在载体表面.设想一个化学反应要在催化剂表面发生，反应介质可能是气体也可能是液体，统称流体.流体中的反应物首先要传质到催化剂表面，然后再扩散到催化剂表面的活性点.至少有一种反应物要化学吸附在催化剂表面，化学反应就发生在化学吸附的反应物和后续物理吸附的反应物之间，或发生在化学吸附的反应物和从流体中碰撞催化剂表面的反应物之间.反应之后，产物解吸并扩散离开催化剂表面，在这个反应过程中，体系温度、压力、流体流速、催化剂结构、表面积及表面活性点浓度等都影响着反应速率.

例6（2020衡中模拟题）利用固体表面催化工艺进行NO分解的过程如图5所示.

下列说法不正确的是（

）.

A.NO属于共价化合物

B.O2含有非极性共价键

C.过程②吸收能量，过程③释放能量

D.标准状况下，NO分解生成11.2 L N2转移电子数为6. 02×10 23

解析此题就是一道涉及表面催化剂的化学反应历程题，显然A、B均正确;从图中可以看出，过程②发生氮氧键的断裂，吸收能量，过程③发生氮氮键和氧氧键的形成，放出能量，C正确：NO分解生成N2和O2，则标准状况下，生成11.2 L N，转移电子数为2×6. 02×l0 23，D错误，

答案选D.

（4）中学化学中有哪些催化剂

中学化学中涉及的常见催化剂有：固体催化剂如合成氨反应中的铁触媒，硫酸工业中的五氧化二钒，过氧化氫分解中的二氧化锰、氯化铁、硫酸铜等，酸性高锰酸钾溶液与草酸反应中的硫酸锰，醇氧化反应中的铜或银，有机物加氢反应和有机合成中的镍;液体催化剂如酯化反应、糖类水解、酯的水解反应中的硫酸：生物催化剂如淀粉和蛋白质水解中的酶等等.

二、关于活化能

1.活化能的概念

原人教版教材没有给出活化能的概念，新人教版教材作了修改，将活化能定义为：活化分子具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量之差，叫做反应的活化能.活化能取正值，单位为kJ.mol-1.对可逆反应来说正反应的活化能就是活化分子（即反应形成的中间体或叫过渡态）的平均能量与反应物分子的平均能量之差;逆反应的活化能则是指活化分子的平均能量与正反应生成物分子的平均能量之差（即活化分子变成反应生成物分子放出的能量）.

例7（2018海南高考题）炭黑是雾霾中的重要颗粒物，研究发现它可以活化氧分子，生成活化氧，活化过程的能量变化模拟计算结果如图6所示，活化氧可以快速氧化二氧化硫.下列说法正确的是（双选）（

）.

A.每活化一个氧分子吸收0. 29 eV的能量

B.水可使氧分子活化反应的活化能降低0. 42 eV

C.氧分子的活化是0-0的断裂与C-O键的生成过程

D.炭黑颗粒是大气中二氧化硫转化为三氧化硫的催化剂

解析 由图可知每活化一个氧分子放出0. 29 eV的能量，A错;无水时的活化能为0.75 eV，有水时活化能为0. 57 eV.水可使氧分子活化反应的活化能降低0. 18 eV，B错;氧分子的活化过程发生了0-0的断裂与C-O键的生成，C正确;题干所述炭黑将氧分子活化成活化氧，活化氧快速氧化二氧化硫，所以炭黑起着催化剂的作用，D正确，

答案选CD.

2.可逆反应的活化能与反应热的关系

对可逆反应来说，反应热AH=正反应活化能一逆反应活化能.

例8 （2011海南高考题）某反应的AH=+ 100 kJ.mol-1，下列有关该反应的叙述正确的是（双选）（

）.

A.正反应活化能小于100 kJ.mol-1

B.逆反应活化能一定小于100 kJ.mol-1

C.正反应活化能不小于100 kJ-mol-l

D.正反应活化能比逆反应活化能大100 kJ.mol一’

解析因反应的△H=+ 100 kJ.mol-l，则正反应的活化能一逆反应的活化能= 100 kJ.mol-1，正反应的活化能=逆反应的活化能+ 100 kJ.mol-1，逆反应的活化能=正反应的活化能- 100 kJ.mol-1，因为正、逆反应的活化能均不可能小于0，可见A、B均错，C、D正确.

答案选CD.

3.怎样根据反应能量变化图计算反应的活化能

在化学反应能量变化图中，反应的活化能就是最高峰能量值与反应物能量值之差.

例9（2014海南高考题）某反应过程能量变化如图7所示，下列说法正确的是（双选）（

）.

A.反应过程a有催化剂参与

B.该反应为放热反应，热效应等于AH

C.改变催化剂，可改变该反应的活化能

D.有催化剂的条件下，反应的活化能等于E1+ E2

解析曲线a表示的反应过程中活化能比曲线6高，说明a是无催化剂参与反应，A错误;图中反应物的总能量高于生成物的总能量，说明该反应为放热反应，反应热等于生成物与反应物的能量之差，即△H，B正确：若改变催化剂，则会改变反应历程，反应的活化能也会随之改变，C正确;有催化剂反应条件下该反应的活化能是图中曲线b上的最高峰能量值与反应物能量值之间的差值，即E1，D错.

答案选BC.

4.活化能与反速率的关系

反应的活化能越大，活化分子百分数越小，有效碰撞次数越少，反应速率越慢;活化能越小，活化分子百分数越大，有效碰撞次数越多，反应速率越快.

例10（2021全国甲卷28节选）二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为：

该反应总反应为放热反应，因此生成物总能量低于反应物总能量，反应①为慢反应，说明反应①的活化能高于反应②，同时反应①的反应物总能量低于生成物总能量，反应②的反应物总能量高于生成物总能量，因此示意图中能体现反应能量变化的是A项，判断的理由是：△H1为正值，△H2为和△H为负值，反应①的活化能大于反应②的.

5.在反应历程图中怎样寻找计算最大活化能（能垒）

在反应历程能量图中，最大活化能（能垒）就是图中波峰值与波谷值之差的最大值.

例11 （2019.全国卷I题28节选）水煤气变换[ CO（g）+H2O（ g）=CO2（g）+H2（g）]是重要的化工过程，主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中.我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程，如图所示，其中吸附在金催化剂表面上的物种用*标注.

从上述可以看出，虽然课本中只是简单的介绍了催化剂与活化能两个概念，但高考试题考查的角度是多方位的，如果对概念的本质内涵不了解的话，解答此类问题就会不知如何下手，也就很难顺利得到正确答案，希望复习备考时进行全方位的挖掘和了解.