2021-2022届高三化学二轮专题复习催化剂原理及应用.pptx

1、催化剂原理及应用化学家查德化学家查德哲尔说过：哲尔说过：要我选一个最能概括化学的词，要我选一个最能概括化学的词，莫过于莫过于“催化剂催化剂”，没有其他东西能与之，没有其他东西能与之媲美。媲美。约约90%90%的工业产品是借助催化剂（工业上常称其的工业产品是借助催化剂（工业上常称其为触媒）生产出来的为触媒）生产出来的, ,解决了现代人衣食住行中解决了现代人衣食住行中的许多问题。的许多问题。催化剂的研发是一个极具魅力和应用前景的主催化剂的研发是一个极具魅力和应用前景的主题，高考试题对此表现出极大关注。题，高考试题对此表现出极大关注。什么催化剂与反应历程催化剂与反应历程催化剂与活化能催化剂与活化能

2、、焓变、焓变催化剂与反应速率催化剂与反应速率 、平衡移动、平衡移动催化剂的选择性催化剂的选择性12345催化剂的来源问题催化剂的来源问题6催化剂催化剂 的活性的活性考高考1.催化剂与反应历程催化剂与反应历程催化剂是能催化剂是能_而在反应前后本身的而在反应前后本身的_和和_的物质。的物质。催化原理：催化原理：催化剂催化剂反应反应，反应历程反应历程，改变反应的活化能，改变反应的活化能来改变反应速率。来改变反应速率。知识回顾典例重现1.催化剂与反应历程催化剂与反应历程 （2020年全国年全国I I卷卷）铑的配合物离子）铑的配合物离子Rh(CO)2I2可催化可催化甲醇羰基化，反应过程如图所示：甲醇羰基

3、化，反应过程如图所示：下列叙述错误的是下列叙述错误的是 （ ）A.CH3COI是反应中间体是反应中间体 B.甲醇羰基化反应甲醇羰基化反应CH3OH+CO=CH3CO2HC.反应过程中反应过程中Rh的成键数目保持不变的成键数目保持不变 D.存在反应存在反应CH3OH+HI=CH3I+H2OC真题再现真题再现1.催化剂与反应历程催化剂与反应历程 （20202020年全国年全国卷卷）据文献报道：据文献报道：Fe(CO)5催化某反应的催化某反应的一种反应机理如下图所示。下列叙述错误的是（一种反应机理如下图所示。下列叙述错误的是（ ）A.OH-参与了该催化循环参与了该催化循环 B.该反应可产生清洁燃料该

4、反应可产生清洁燃料H2C.该反应可消耗温室气体该反应可消耗温室气体CO2D.该催化循环中该催化循环中Fe的成键数目的成键数目发生变化发生变化真题再现真题再现02.催化剂与活化能、焓变催化剂与活化能、焓变 活化能活化能( (EaEa) )：过渡态过渡态的能量与的能量与反应物反应物的平均能量的平均能量之差之差。加催化剂加催化剂降低反应的活化能降低反应的活化能加快反应速率加快反应速率 。加催化剂加催化剂不会改变反应的焓变不会改变反应的焓变02.催化剂与活化能催化剂与活化能 、焓变、焓变小于小于2.022.02COOHCOOH* *+H+H* *+H+H2 2O O* *COOHCOOH* *+2H+

5、2H* *+OH+OH* * 或或 H H2 2O O* *H H* *+OH+OH* *真题再现真题再现 （2019年全国年全国I I卷卷） ）我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了在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面上的物种用 标注。标注。可知水煤气变换的可知水煤气变换的HH _ 0 0（填（填“大于大于”“”“等于等于”或或“小于小于”），该历程），该历程中最大能垒（活化能）中最大能垒（活化能）E E正正= _ eV= _ eV，写出

6、该步骤的化学方程式，写出该步骤的化学方程式_。 2021 2021年年2 2月月5 5日，日，ScienceScience在线发表了武汉大学科研团队在线发表了武汉大学科研团队利用新型利用新型FeFe基复合催化剂高效抑制基复合催化剂高效抑制COCO2 2生成，实现水煤气（主要有生成，实现水煤气（主要有效成分为效成分为COCO和和H H2 2）直接制取烯烃的研究成果，原理如图所示。下）直接制取烯烃的研究成果，原理如图所示。下列说法错误的是（列说法错误的是（ ）A.A.该方法主要利用了催化剂的选择性。该方法主要利用了催化剂的选择性。B.COB.CO与与FeFe结合生成结合生成Fe(CO)Fe(CO)

7、5 5分子中含分子中含有有1010个个键键 。 C.C.COCO2 2分子和与乙烯分子中分子和与乙烯分子中C C原子原子 的杂化方式不相同。的杂化方式不相同。D.D.与传统方法相比，该方法中反应与传统方法相比，该方法中反应 的焓变小，产率高。的焓变小，产率高。D0202.催化剂与活化能催化剂与活化能 、焓变、焓变练一练练一练03.催化剂的选择性催化剂的选择性选择合适催化剂选择合适催化剂 对于在给定条件下反应物之间能够对于在给定条件下反应物之间能够同时发生多个反应同时发生多个反应的情况，理想的催化的情况，理想的催化剂可以大幅度剂可以大幅度提高目标产物提高目标产物在最终产物在最终产物中比率。中比率

8、。 ()二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用二氧化碳催化加氢合成乙烯是综合利用 CO2 的热点研究领域。回答下列问题的热点研究领域。回答下列问题:(4)(4)二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应，生成二氧化碳催化加氢合成乙烯反应往往伴随副反应，生成 C C3 3H H6 6、C C3 3H H8 8、C C4 4H H8 8等低碳烃。一定温度和压强条件下，为了提高反应速率和等低碳烃。一定温度和压强条件下，为了提高反应速率和乙烯选择性，应当乙烯选择性，应当_等。等。真题再现真题再现催化剂能提高催化剂能提高产率产率吗？你是如何理解的？吗？你是如何理解的？ 一方面，生产效率与时间有关，达到平衡需

9、要时间，一方面，生产效率与时间有关，达到平衡需要时间，而实际生产中大多数反应未达到平衡就流出反应器，而实际生产中大多数反应未达到平衡就流出反应器，所以所以实际转化率总比平实际转化率总比平衡转化率低衡转化率低。但反应速率提高，。但反应速率提高，单位时间内产量提高了，目标产物的产率（实际产单位时间内产量提高了，目标产物的产率（实际产量量/理论产量）理论产量）100%相应得以提升。相应得以提升。 另一方面，催化剂若有另一方面，催化剂若有较高的选择性较高的选择性，则可以选择性则可以选择性地催化工业生产所需的主反应，地催化工业生产所需的主反应，而大大减少副反应的而大大减少副反应的发生和副产物的生成。发生

10、和副产物的生成。区分：产率和平衡转化率区分：产率和平衡转化率03.催化剂的选择性催化剂的选择性回答：一定能提高甲醇产率的措施是回答：一定能提高甲醇产率的措施是_。 A. A.增大压强增大压强 B. B.升高温度升高温度 C. C.选择合适催化剂选择合适催化剂 D. D.加入大量催化剂加入大量催化剂AC 甲醇是重要的化工原料。利用合成气（主要成分为甲醇是重要的化工原料。利用合成气（主要成分为COCO、COCO2 2、H H2 2）在催化剂的作用下合成甲醇，可能发生的反应如下：）在催化剂的作用下合成甲醇，可能发生的反应如下：练一练练一练00004.催化剂的活性催化剂的活性反应的催化剂反应的催化剂催

11、化剂硫杆菌因蛋白质催化剂硫杆菌因蛋白质变性而失去了催化性能。变性而失去了催化性能。 催化剂的活性除了与催化剂的活性除了与自身成分自身成分有关外，还受有关外，还受到到粒径、合成方法粒径、合成方法等因素以及反等因素以及反应温度、压应温度、压强强等条件的影响。此外，等条件的影响。此外， （20172017天津天津）H H2 2S S和和SOSO2 2 会对环境和人体健康带来极大的会对环境和人体健康带来极大的危害，工业上采取多种方法减少这些有害气体的排放生物脱危害，工业上采取多种方法减少这些有害气体的排放生物脱 H H2 2S S 的原理为：的原理为：H H2 2S + FeS + Fe2 2(SO(

12、SO4 4) )3 3 =S + 2FeSO =S + 2FeSO4 4 + H + H2 2SOSO4 4 4FeSO 4FeSO4 4 + 0 + 02 2 + 2H + 2H2 2SOSO4 4 =2Fe =2Fe2 2(SO(SO4 4) )3 3 + 2H + 2H2 2O O硫杆菌存在时，硫杆菌存在时，FeSOFeSO4 4 被氧化的速率是无菌时的被氧化的速率是无菌时的5x105x105 5倍倍, ,该菌的该菌的作用是作用是_；若反应温度过高，反应速率下降，其原因是若反应温度过高，反应速率下降，其原因是_；真题再现真题再现 ( (20212021年烟台一模年烟台一模）汽车排放管装有

13、三元催化剂装置，在）汽车排放管装有三元催化剂装置，在催化剂表面通过发生吸附、解吸消除催化剂表面通过发生吸附、解吸消除COCO、NONO等污染物。反应机理等污染物。反应机理如下如下Pt(s)Pt(s)表示催化剂，右上角带表示催化剂，右上角带“* *”表示吸附状态表示吸附状态 ：经测定汽车尾气中反应物浓度随温度经测定汽车尾气中反应物浓度随温度T T变化如图变化如图1 1所示。所示。回答：回答：图图1 1中温度从中温度从TaTa升至升至TbTb过程中，反应物浓度过程中，反应物浓度急剧减小的主要原因是急剧减小的主要原因是_ 温度升高，催化剂温度升高，催化剂活性增强，反应速率加快，所以反应物浓活性增强，

14、反应速率加快，所以反应物浓度快速减小。度快速减小。04.催化剂的活性催化剂的活性练一练练一练根据阿伦尼乌斯方程根据阿伦尼乌斯方程: :反应速率常数反应速率常数k kA Ae e ，由于活化能由于活化能E Ea a处在指数项上处在指数项上，当其它量不变时，当其它量不变时，只要稍微降低活化能，就可以使反应速率常数只要稍微降低活化能，就可以使反应速率常数增增大很多大很多。EaRT催化剂降低活化能为何能催化剂降低活化能为何能极大地极大地加快反应速率？加快反应速率？05.催化剂与反应速率、化学平衡催化剂与反应速率、化学平衡催化剂：能加快反应速率，催化剂：能加快反应速率， 缩短到达平衡所需时间。缩短到达平

15、衡所需时间。催化剂不能使化学平衡发生移动催化剂不能使化学平衡发生移动不能改变化学反应的平衡常数，不能改变化学反应的平衡常数，不能改变平衡转化率。不能改变平衡转化率。 催化还原催化还原CO2是解决温室效应及能源问题的重要手段之是解决温室效应及能源问题的重要手段之一。研究表明，在一。研究表明，在Cu/ZnO催化剂存在下，催化剂存在下，CO2和和H2可发生两个平可发生两个平行反应，分别生成行反应，分别生成CH3OH和和CO。反应的热化学方程式如下：。反应的热化学方程式如下：实验室控制实验室控制CO2和和H2初始投料比为初始投料比为12.2，在相同压强下，经，在相同压强下，经过相同反应时间测得如下实验

16、数据：过相同反应时间测得如下实验数据：备注备注Cat.1：Cu/ZnO纳米棒；纳米棒； Cat.2：Cu/ZnO纳米片；纳米片； 甲醇选择性：转化的甲醇选择性：转化的CO2中生成甲醇中生成甲醇的百分比的百分比 H2=+41.2kJmol1 交流研讨交流研讨05.催化剂与反应速率、化学平衡催化剂与反应速率、化学平衡（1）有利于提高）有利于提高CO2转化为转化为CH3OH平衡转化率的措施平衡转化率的措施_。 A.使用催化剂使用催化剂Cat.1 B.使用催化剂使用催化剂Cat.2 C.降低反应温度降低反应温度 D.投料比不变，增加反应物浓度投料比不变，增加反应物浓度 E.增大增大CO2和和H2的初始

17、投料比的初始投料比CD（2 2）表中数据表明，在相同温度下不同的催化剂对）表中数据表明，在相同温度下不同的催化剂对COCO2 2转化为转化为CHCH3 3OHOH的选择性有显著的影响，其原因是的选择性有显著的影响，其原因是_ 表中数据表明此时反应未达到平衡，表中数据表明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应不同的催化剂对反应的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响（3 3）在图中分别画出反应）在图中分别画出反应在无在无催化剂、有催化剂、有Cat.1Cat.1和和Cat.2Cat.2三种情况三种情况下下“反应过程反应过程能量能量”示意图：示

18、意图：交流研讨交流研讨 积碳反应积碳反应CH4(g)= C(s)+2H2(g) 消碳反应消碳反应CO2(g)+ C(s)= 2CO(g)H/(kJmol1)75172活化能活化能/(kJmol1)催化剂催化剂X3391催化剂催化剂Y4372由上表判断，催化剂由上表判断，催化剂X_Y（填（填“优于优于”或或“劣于劣于”），理由是），理由是_。劣于劣于相对于催化剂相对于催化剂X X，催化剂，催化剂Y Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速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。率小；而消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大。05.催化剂与反应速率、化学平衡催化剂与反

19、应速率、化学平衡 （20182018全国全国节选节选）反应中催化剂活性会因积碳反应而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。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：相关数据如下表： 真题再现真题再现它的特点之一是它的特点之一是开始反应速率很小开始反应速率很小 ， 随随着起催化作用的产物的积累速率着起催化作用的产物的积累速率迅速迅速增增大大 。06.催化剂的来源催化剂的来源化学中有一类特殊反应化学中有一类特殊反应 ， 叫叫自催化反应自催化反应 ， 该类反应中的该类反应中的生成物生成物对反应有催化作用对反应有催化作用 。 HNO3 + SO2 NOSO

20、4H浓硫酸浓硫酸生成的生成的NOSONOSO4 4H H对该反应有催化作用对该反应有催化作用 （山东新高考山东新高考20212021年年4 4月质量测评）实验室用月质量测评）实验室用SOSO2 2与浓硫酸和与浓硫酸和浓硝酸的混合液制备亚硝酰硫酸（浓硝酸的混合液制备亚硝酰硫酸（NOSONOSO4 4H H）。）。（1 1）写出该反应的化学方程式）写出该反应的化学方程式_(2)(2)该反应开始时反应缓慢，但某时刻反应速率明显加快，其原该反应开始时反应缓慢，但某时刻反应速率明显加快，其原因是因是_。练一练练一练 某小组利用某小组利用H2C2O4溶液和酸性溶液和酸性KMnO4溶液反应来探究溶液反应来探

21、究“外外界条件对化学反应速率的影响。界条件对化学反应速率的影响。 高锰酸钾和草酸反应开始速率较慢，反应一会儿，速率突然高锰酸钾和草酸反应开始速率较慢，反应一会儿，速率突然加快，合理的原因是：加快，合理的原因是：_06.催化剂的来源催化剂的来源练一练练一练在周期表中的哪个区域寻找寻找区域？在周期表中的哪个区域寻找寻找区域？思考思考知识层面知识层面催化剂与反应历程催化剂与反应历程催化剂与活化能催化剂与活化能 、焓变、焓变催化剂的选择性催化剂的选择性催化剂与反应速率催化剂与反应速率 、平衡移动平衡移动催化剂的活性催化剂的活性催化剂的来源问题催化剂的来源问题课堂总结课堂总结课堂总结课堂总结处理图像、表格等信息的能力，处理图像、表格等信息的能力，吸收信息能力，吸收信息能力，理解与辨析能力。理解与辨析能力。基于证据进行分析、推理能力。基于证据进行分析、推理能力。综合运用所学知识分析和解决问题的能力。综合运用所学知识分析和解决问题的能力。能力层面能力层面课堂总结课堂总结