2.4催化剂和反应调控学案 导学案 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

不放过每一点疏漏，不放弃每一份希望，加油！ 专题复习课——催化剂和反应调控 【教材自主总结】请尽可能多的列举出教材中和催化剂相关的反应。 【课前引入】 工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。让人类实现了“向空气要面包”的梦想，迄今为止，人类仍然在追求低成本、高产率的合成氨技术。 其反应原理为： 　　 已知时，的燃烧热 基于物理性质写出氨的一种用途：______________________________________ 曾有人提出利用反应制备的思路。请结合有关数据说明该反应难以实现的原因：___________________________________________________ 　　 合成氨反应在常温(T=298K)下 (填“能”或“不能”)自发进行。 调控反应——工业合成氨常用工艺条件 Fe做催化剂，控制温度773K，压强3.0×107pa 从热力学角度和动力学角度选择反应条件，其中选择“两难”(两个分析角度影响不一致)的反应条件是_____________用碰撞理论解释为什么不在常温下进行反应____________________________________ 该反应条件最终选择上述给出工艺条件的主要原因是_________________________________________ 1、 催化剂的作用与特征 (1) 定义 人教版《化学》九年级上册：在化学反应中能改变其它物质的化学反应速率，而本身的质量和化学性质在化学反应前后都没有改变的物质叫催化剂。 国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC，2014）：催化剂是增加化学反应速率但不改变总反应的标准吉布斯自由能的物质。（负催化剂被称为“抑制剂”） 结合典例1和典例2思考如何在题目隐含信息中识别出某一成分具有催化剂的作用？ 【典例1】利用O2辅助的Al-CO2电池电容量大，工作原理如图所示，能有效地将CO2转化成化工原料草酸铝Al2(C2O4)3。回答下列问题 1) 写出电池的正负极反应以及电极总反应 2) O2的作用？ 【典例2】内酯在化工、医药、农林等领域有广泛的应用。 内酯可以通过有机羧酸异构化制得。某羧酸A在0.2 mol/L盐酸中转化为内酯B的反应可表示为A(aq)B(aq)，忽略反应前后溶液体积变化。一定温度下，当A的起始浓度为a mol/L时，A的转化率随时间的变化如下表所示： t/min 0 36 50 65 80 100 ∞ A的转化率/% 0 20.0 27.8 33.3 40.0 45.0 75.0 研究发现，其他条件不变时，减小盐酸的浓度，反应速率减慢，但平衡时B的含量不变，原因是 _______________________________________________________ (2) 催化剂的特征 · 催化剂具有高效性 必修2- 49页科学视野 催化剂是现代化学中关键而神奇的物质之一。催化剂十分神奇，它能极大的加快化学反应速率（可使化学反应速率增大几个到十几个数量级）。 · 催化剂不能改变化学平衡 选修4-28页 由于催化剂_________地增加正反应速率和逆反应速率，因此，它对化学平衡移动没有影响。也就是说，催化剂不能改变达到化学平衡状态的反应混合物的组成，但使用催化剂，能改变_________________________。 · 催化剂对化学反应具有选择性 选修4-23页 使用适当的催化剂是改变反应速率的常用的有效方法之一。对于给定条件下反应物之间能够发生多个反应的情况，理想的催化剂还可以大幅提高主要产物在最终产物中比率。催化剂的这种特性称作它的_______。 结合典例3思考如何理解“理想的催化剂还可以大幅提高主要产物在最终产物中比率”？ 【典例3】研究氧化制对资源综合利用有重要意义。相关的主要化学反应有： Ⅰ   Ⅱ   Ⅲ   Ⅳ   ①和按物质的量1:1投料，在和保持总压恒定的条件下，研究催化剂X对“氧化制”的影响，所得实验数据如下表： 催化剂 转化率 转化率 产率 催化剂X 19.0 37.6 3.3 结合具体反应分析，在催化剂X作用下，氧化的主要产物是 ，判断依据是_____________________________________ ②采用选择性膜技术(可选择性地让某气体通过而离开体系)可提高的选择性(生成的物质的量与消耗的物质的量之比)。在，乙烷平衡转化率为，保持温度和其他实验条件不变，采用选择性膜技术，乙烷转化率可提高到。结合具体反应说明乙烷转化率增大的原因是________________________________________________________ 2、 基于微观历程的催化机理 【思考】 基于碰撞理论，从微观角度思考N2和H2如何发生化学反应？1molN―H键断裂吸收的能量等于 kJ(保留一位小数) 活化能：活化分子具有平均能量与反应物分子具有的平均能量差 碰撞理论：反应物分子间的相互碰撞是反应进行的必要条件，反应物分子间碰撞频率越高，反应速率越快。 选修4-22页 催化剂能加快化学反应速率，是因为它能改变_______________, 使反应所需的活化能_______,反应体系中所含有的_____________，从而使有效碰撞几率提高，反应速率增大。 【思考】结合右图数据说明催化剂为什么可以加快化学合成氨反应的速率？ 【思考】结合公式(其中k为速率常数，A和R（8.314J/(mol.K)）为常数，Ea为反应的活化能，e为自然对数的底，T为温度)思考降低活化能为什么可以加快化学反应速率？ 随着化学理论的发展，化学家们发现大多数化学反应不是经过简单碰撞就能完成，往往要经过多个反应步骤才能实现，每一步都称为基元反应。基于碰撞理论进一步提出了更加精细的理论模型—过渡态理论，即反应物分子并不是通过简单碰撞直接形成产物，而是必须经过一个形成活化络合物的过渡状态，并且达到这个过渡状态需要一定的活化能。 催化反应的分类 · 溶液中的催化反应—以I-催化H2O2分解为例 【典例4】 已知分解1mol H2O2 放出热量98 kJ，在含少量I-的溶液中，H2O2的分解机理为： H2O2+I-→H2O+IO- 慢，H2O2+IO-→H2O+O2+I- 快 请写出总反应的热化学方程式，并分析此反应的催化剂与中间产物。请思考反应速率是否与I-的浓度有关，为什么？ · 气态反应物固体催化剂的催化反应—以合成氨反应为例，此类催化反应的一般过程如下 1)反应物扩散到催化剂表面 2) 反应物被吸附在催化剂表面 3)被吸附的反应物发生化学反应断键、成键生成产物 4) 产物的解吸 【典例5】 ①相同质量的同种催化剂，在载体上的分散度越高，催化作用越强，推测可能的原因是__________________________________________________________ ②已知在催化剂表面的吸附量会影响催化效果，在少量某催化剂下分解的实验数据如下表： 反应时间/ 0 10 20 30 40 50 分析表中数据可知，随着反应进行，减小，平均反应速率 (填“增大”、“减小”或“不变”)，对该分析结果的合理解释是____________________________________________________写出一种降低氨浓度的最实用可行方法：________________________________________ ③向恒温密闭容器中充入一定物质的量N2、H2混合气体，在不同催化剂作用下的进行反应N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH＜0，相同时间内H2的转化率随温度的变化如图所示： 根据图示，b点v正 v逆(填“＞”、“＜ ”或“＝”)，温度高于T4后曲线重合为ac的合理解释是__________________ __________________________c点时，正、逆反应瞬时速率方程：v正(H2)= k1·c3(H2)·c(N2)和v逆(NH3)= k2·c2(NH3)，此条件下反应的平衡常数K= (用含k1、k2的代数式表示)。 请结合典例6和典例7思考催化剂是如何发挥催化作用的？如何从微观历程理解催化剂具有选择性？ 【资料卡片—Taylor和活性中心理论】 1920年左右，H.S 发现在催化剂表面的角、裂纹等不连续的地方会发生优先吸附。他认为这些位点的催化活性会比平坦表面的高，这就是“活性中心”与“活性结构”概念的起源。1940年代中期，Balandin提出所谓的“多位理论”即催化剂的活性取决于表面上几个空间合适的原子与反应分子的合适匹配。 【典例6】我国科学家用S-In催化剂电催化还原CO2制甲酸的机理如图乙所示，其中吸附在催化剂表面的原子用*标注。 ①左图中，催化剂S2-活性位点在催化过程中的作用是 _____________________________________________ ②右图为催化还原CO2的反应历程图。其中，生成甲酸的决速步骤的电极反应式为 _____________________从反应能垒角度分析该催化剂对生成甲酸具有高选择性的原因______________________________________ 【典例7】汽车排气管装有三元催化装置，在催化剂表面发生吸附、解吸消除CO、NO等大气污染物。反应机理如图(Pt是催化剂，右上角带“”表示吸附状态) Ⅰ NO+Pt(s)=NO* 、 Ⅱ CO+Pt(s)=CO*、 Ⅲ NO*=N*+O*、 Ⅳ CO*+O*=CO2+Pt(s)、 Ⅴ N*+N*=N2+Pt(s) 、Ⅵ NO*+N*=N2O+Pt(s) 经测定汽车尾气中反应物及生成物浓度随温度变化关系如图1和图2所示： ①图1中，温度为330℃时主要发生的是上述 反应；(填“Ⅰ”“Ⅱ”“Ⅲ”“Ⅳ”“Ⅴ”“Ⅵ”)反应Ⅵ的焓变ΔH 0(填“大于”或“小于”)。 ②图2，温度从Ta升至Tb的过程中，反应物浓度急剧减小的主要原因是________________________________ ③气体在固体催化剂表面反应时，同时进行着的吸附反应和解吸反应，共同作用影响总反应速率。反应2NO+2CO=N2+2CO2在固体催化剂表面进行的反应速率随压强的变化如图3所示。结合反应机理，试解释bc段反应速率下降的原因：________________________________________________________ 3、 催化剂失活与再生 理论上，催化剂前后质量保持不变，可以无限循环使用，一定量的催化剂可以使大量的反应物转化为大量的产物，但实际生产过程，在恒定反应条件下催化反应的转化率会随时间增长而下降，称为催化剂的失活，包括化学失活（催化剂中毒），热失活（温度）和机械失活（积碳）。 结合典例8，典例9，典例10思考如何根据信息判断催化剂失活或表征其失活的微观机理？ 【典例8】苯催化加氢制备环己烷是化工生产中的重要工艺，可发生如下反应： Ⅰ.主反应：(g)+3H2(g) (g)+Q1 Ⅱ.副反应：(g) (g)-Q2 氢原子和苯分子吸附在催化剂表面活性中心时，才能发生反应，机理如图。当中混有微量或CO等杂质时，会导致反应Ⅰ的产率降低，推测其可能原因为____________________________________________________________ 【典例9】回收利用CO2是目前解决长期载人航天舱内(如空间站)供氧问题的有效途径，科研人员研究出其物质转化途径如下图：反应A为 CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)，是回收利用CO2的关键步骤。用CO2(g)+2H2(g) C(s)+2H2O(g) 代替反应A，可实现氢、氧元素完全循环利用，缺点是使用一段时间后催化剂的催化效果会明显下降，其原因是___________________________________________________________ 【典例10】甲烷是重要的资源，通过下列过程可实现由甲烷到氢气的转化。 利用铜—铈氧化物(xCuO·yCeO2，Ce是活泼金属)催化氧化可除去H2中少量CO，催化氧化过程中Cu、Ce的化合价均发生变化，可能机理如图2所示。将n(CO)：n(O2)：n(H2)：n(N2)=1：1：49：49的混合气体以一定流速通过装有xCuO·yCeO2催化剂的反应器，CO的转化率随温度变化的曲线如图3所示。 ①Ce基态原子核外电子排布式为[Xe]4f15d16s2，图2所示机理的步骤(i)中，元素Cu、Ce化合价发生的变化为________________________________________ ②当催化氧化温度超过150℃时，催化剂的催化活性下降，其可能原因是______________________________ 4、 化工生产中的催化剂 请结合典例11、典例12、典例13思考 【思考1】如何理解催化剂对物质 “转化率” 和 “产率” 的影响？ 【思考2】如何根据曲线变化辨识究竟是用动力学因素 (催化剂的影响) 还是热力学影响 (平衡的移动) 作为答题角度？ 【思考3】如何推断反应变化是由于多重因素影响而不是单一要素的结果？ 【典例11】我国科学家成功利用光伏发电，将电解水获得的与反应合成甲醇，再由甲醇经若干酶促反应合成淀粉。该研究成果已在国际学术期刊《科学》上发表。回答下列问题： (1) 人工合成转化为淀粉只需要11步，其中前两步涉及的反应如图所示。 反应的 （用含、、、的代数式表示）。 (2) 有学者结合实验和计算机模拟结果，得出的一种反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用“·”标注，TS1、TS2、TS3、TS4均为过渡态。决速步骤对应的化学方程式为__________________________________；TS3对应的步骤适合在 （填“高温”或“低温”）条件下进行。 (3) 在密闭容器中充入一定量的和，发生反应  ，在催化剂作用下单位时间内的转化率与温度、催化剂的关系如图所示。 ①a点时，的生成速率 （填“>”“<”或“=”，下同）的消耗速率；催化效率：Cat2 Cat1。 ②b点之后的转化率降低，可能的原因是____________________________________ (4) 已知催化加氢的主要反应如下： 反应Ⅰ． 反应Ⅱ． ①230℃时，将和按物质的量之比为1：3混合通入恒温刚性密闭容器中，在催化剂作用下同时发生反应Ⅰ和反应Ⅱ，容器内压强随时间的变化如下表所示。 时间/min 0 20 40 60 80 压强/MPa 平衡时，则该温度下反应Ⅰ的化学平衡常数 （用含的代数式表示）。 ②二氧化碳催化加氢合成甲醇反应往往伴随副反应Ⅱ。一定温度和压强条件下，为了提高反应速率和甲醇选择性，应当_____________________________________________________ 【典例12】工业尾气脱硝是减少空气污染的重要举措。回答下列问题： (1) 已知相关反应的热力学数据如下。 反应 ①脱硝反应的 。时，为了提高该反应中NO的平衡转化率，理论上可采取的措施是_______________________________ A．恒容时增大的压强      B．减小反应容器的容积 C．移去部分      D．选择合适的催化剂 ②另一脱硝反应的 。 (2) 模拟工业尾气脱硝：一定条件下，将的气体与Ar混合，匀速通过催化脱硝反应器，测得NO去除率和转化率随反应温度的变化如图。 当温度低于时，NO的去除率随温度升高而升高，可能原因是___________________________________；高于时，NO的去除率随温度升高而降低，结合(1)的信息分析其可能原因是________________________ (3) 中国科学家利用Cu催化剂实现电化学脱硝。通过理论计算推测电解池阴极上NO可能的转化机理及转化步骤的活化能分别如下(*表示催化剂表面吸附位，如表示吸附于催化剂表面的NOH)。 I． Ⅱ． Ⅲ． Ⅳ． V． 上述反应机理中，Ⅱ～V中速率最慢的步骤是______________________________若电路中有电子流过，其中生成的选择性为95%，电解池阴极生成的的物质的量为 mmol。 【典例13】 工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破，目前已有三位科学家因其获得诺贝尔奖，其反应为：。回答下列问题： (1) 合成氨反应在常温下 (填“能”或“不能”)自发。 (2) 温(填“高”或“低”，下同)有利于提高反应速率， 温有利于提高平衡转化率，综合考虑催化剂(铁触媒)活性等因素，工业常采用。 针对反应速率与平衡产率的矛盾，我国科学家提出了两种解决方案。 (3) 方案一：双温-双控-双催化剂。使用双催化剂，通过光辐射产生温差(如体系温度为时，的温度为，而的温度为)。 下列说法正确的是 。 a．氨气在“冷Ti”表面生成，有利于提高氨的平衡产率 b．在“热Fe”表面断裂，有利于提高合成氨反应速率 c．“热Fe”高于体系温度，有利于提高氨的平衡产率 d．“冷Ti”低于体系温度，有利于提高合成氨反应速率 (4)方案二：复合催化剂。 下列说法正确的是 。 a．时，复合催化剂比单一催化剂效率更高 b．同温同压下，复合催化剂有利于提高氨的平衡产率 c．温度越高，复合催化剂活性一定越高 (4) 近几年科学家研究通过一种生物燃料电池实现室温下合成氨，其工作原理如图： i．该电池负极是电极 (填“a”或“b”)。 ii．对比传统的工业合成氨，生物燃料电池合成氨的优点是 _______________________________(任写一条) 第 1 页 共 5 页 学科网（北京）股份有限公司 $$