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專題51 高考試題中催化劑的考查 一、高考題再現(xiàn) 1．（2018課標Ⅱ）CH4-CO2催化重整不僅可以得到合成氣（CO和H2），還對溫室氣體的減排具有重要意義。回答下列問題： （1）CH4-CO2催化重整反應為：CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)。 已知：C(s)+2H2(g)=CH4(g) ΔH=-75 kJmol?1 C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH=-394 kJmol?1 C(s)+1/2O2(g)=CO(g) ΔH=-111 kJmol?1 該催化重整反應的ΔH==______ kJmol?1。有利于提高CH4平衡轉化率的條件是____（填標號）。 A．高溫低壓 B．低溫高壓 C．高溫高壓 D．低溫低壓 某溫度下，在體積為2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化劑進行重整反應，達到平衡時CO2的轉化率是50%，其平衡常數為_______mol2L?2。 （2）反應中催化劑活性會因積碳反應而降低，同時存在的消碳反應則使積碳量減少。 相關數據如下表： 積碳反應 CH4(g)=C(s)+2H2(g) 消碳反應 CO2(g)+C(s)=2CO(g) ΔH/(kJmol?1) 75 172 活化能/ (kJmol?1) 催化劑X 33 91 催化劑Y 43 72 ①由上表判斷，催化劑X____Y（填“優(yōu)于”或“劣于”），理由是_________________。在反應進料氣組成、壓強及反應時間相同的情況下，某催化劑表面的積碳量隨溫度的變化關系如圖所示。升高溫度時，下列關于積碳反應、消碳反應的平衡常數（K）和速率（v）的敘述正確的是________填標號）。 A．K積、K消均增加 B．v積減小，v消增加 C．K積減小，K消增加 D．v消增加的倍數比v積增加的倍數大 ②在一定溫度下，測得某催化劑上沉積碳的生成速率方程為v=kp(CH4)[p(CO2)]-0.5（k為速率常數）。在p(CH4)一定時，不同p(CO2)下積碳量隨時間的變化趨勢如圖所示，則pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)從大到小的順序為________________。 【答案】247 A 13 劣于 相對于催化劑X，催化劑Y積碳反應的活化能大，積碳反應的速率小；而消碳反應活化能相對小，消碳反應速率大 AD pc(CO2)、pb(CO2)、pa(CO2) 【解析】（1）已知： ①C(s)+2H2(g)=CH4(g) ΔH=-75 kJmol?1 ②C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH=-394 kJmol?1 ③C(s)+1/2O2(g)=CO(g) ΔH=-111 kJmol?1 根據蓋斯定律可知③2－②－①即得到該催化重整反應CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)的ΔH=＋247 kJmol?1。正反應是體積增大的吸熱反應，所以有利于提高CH4平衡轉化率的條件是高溫低壓，答案選A；某溫度下，在體積為2 L的容器中加入2 mol CH4、1 mol CO2以及催化劑進行重整反應，達到平衡時CO2的轉化率是50%，根據方程式可知 CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g) 起始濃度（mol/L） 1 0.5 0 0 轉化濃度（mol/L） 0.25 0.25 0.5 0.5 平衡濃度（mol/L） 0.75 0.25 0.5 0.5 所以其平衡常數為0.520.520.750.25=13mol2L?2。 2．（2018天津）CO2是一種廉價的碳資源，其綜合利用具有重要意義?；卮鹣铝袉栴}： （1）CO2可以被NaOH溶液捕獲。若所得溶液pH=13，CO2主要轉化為______（寫離子符號）；若所得溶液c(HCO3?)∶c(CO32?)=2∶1，溶液pH=___________。（室溫下，H2CO3的K1=410?7；K2=510?11） （2）CO2與CH4經催化重整，制得合成氣： CH4(g)+ CO2(g) 2CO (g)+ 2H2(g) ①已知上述反應中相關的化學鍵鍵能數據如下： 化學鍵 C—H C=O H—H CO(CO) 鍵能/kJmol?1 413 745 436 1075 則該反應的ΔH=_________。分別在VL恒溫密閉容器A（恒容）、B（恒壓，容積可變）中，加入CH4和CO2各1 mol的混合氣體。兩容器中反應達平衡后放出或吸收的熱量較多的是_______（填“A” 或“B ”）。 ②按一定體積比加入CH4和CO2，在恒壓下發(fā)生反應，溫度對CO和H2產率的影響如圖3所示。此反應優(yōu)選溫度為900℃的原因是________。 （3）O2輔助的Al～CO2電池工作原理如圖4所示。該電池電容量大，能有效利用CO2，電池反應產物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。 電池的負極反應式：________。 電池的正極反應式：6O2+6e?6O2? 6CO2+6O2?3C2O42? 反應過程中O2的作用是________。 該電池的總反應式：________。 【答案】 CO32- 10 +120 kJmol-1 B 900 ℃時，合成氣產率已經較高，再升高溫度產率增幅不大，但能耗升高，經濟效益降低。 Al–3e–=Al3+（或2Al–6e–=2Al3+） 催化劑 2Al+6CO2=Al2(C2O4)3 （2）①化學反應的焓變應該等于反應物鍵能減去生成物的鍵能，所以焓變?yōu)?4413+2745)－ (21075+2436)= +120 kJmol-1。初始時容器A、B的壓強相等，A容器恒容，隨著反應的進行壓強逐漸增大（氣體物質的量增加）；B容器恒壓，壓強不變；所以達平衡時壓強一定是A中大，B中小，此反應壓強減小平衡正向移動，所以B的反應平衡更靠右，反應的更多，吸熱也更多。 ②根據圖3得到，900℃時反應產率已經比較高，溫度再升高，反應產率的增大并不明顯，而生產中的能耗和成本明顯增大，經濟效益會下降，所以選擇900℃為反應最佳溫度。 （3）明顯電池的負極為Al，所以反應一定是Al失電子，該電解質為氯化鋁離子液體，所以Al失電子應轉化為Al3+，方程式為：Al–3e–=Al3+（或2Al–6e–=2Al3+）。根據電池的正極反應，氧氣再第一步被消耗，又在第二步生成，所以氧氣為正極反應的催化劑。將方程式加和得到，總反應為：2Al+6CO2=Al2(C2O4)3。 3．（2018江蘇）NOx（主要指NO和NO2）是大氣主要污染物之一。有效去除大氣中的NOx是環(huán)境保護的重要課題。 （1）用水吸收NOx的相關熱化學方程式如下： 2NO2（g）+H2O（l）HNO3（aq）+HNO2（aq） ΔH=?116.1 kJmol?1 3HNO2（aq）HNO3（aq）+2NO（g）+H2O（l） ΔH=75.9 kJmol?1 反應3NO2（g）+H2O（l）2HNO3（aq）+NO（g）的ΔH=___________kJmol?1。 （2）用稀硝酸吸收NOx，得到HNO3和HNO2的混合溶液，電解該混合溶液可獲得較濃的硝酸。寫出電解時陽極的電極反應式：____________________________________。 （3）用酸性(NH2)2CO水溶液吸收NOx，吸收過程中存在HNO2與(NH2)2CO生成N2和CO2的反應。寫出該反應的化學方程式：____________________________________。 （4）在有氧條件下，新型催化劑M能催化NH3與NOx反應生成N2。 ①NH3與NO2生成N2的反應中，當生成1 mol N2時，轉移的電子數為__________mol。 ②將一定比例的O2、NH3和NOx的混合氣體，勻速通入裝有催化劑M的反應器中反應（裝置見題20圖?1）。 反應相同時間NOx的去除率隨反應溫度的變化曲線如題20圖?2所示，在50～250 ℃范圍內隨著溫度的升高，NOx的去除率先迅速上升后上升緩慢的主要原因是____________________________；當反應溫度高于380 ℃時，NOx的去除率迅速下降的原因可能是___________________________。 【答案】 （1）?136.2 （2）HNO2?2e?+H2O3H++NO3? （3）2HNO2+(NH2)2CO2N2↑+CO2↑+3H2O （4）①247 ②迅速上升段是催化劑活性隨溫度升高增大與溫度升高共同使NOx去除反應速率迅速增大；上升緩慢段主要是溫度升高引起的NOx去除反應速率增大 催化劑活性下降；NH3與O2反應生成了NO （2）根據電解原理，陽極發(fā)生失電子的氧化反應，陽極反應為HNO2失去電子生成HNO3，1molHNO2反應失去2mol電子，結合原子守恒和溶液呈酸性，電解時陽極電極反應式為HNO2-2e-+H2O=NO3-+3H+。 （3）HNO2與（NH2）2CO反應生成N2和CO2，N元素的化合價由HNO2中+3價降至0價，N元素的化合價由（NH2）2CO中-3價價升至0價，根據得失電子守恒和原子守恒，反應的化學方程式為 2HNO2+（NH2）2CO=2N2↑+CO2↑+3H2O。 （4）①NH3與NO2的反應為8NH3+6NO27N2+12H2O，該反應中NH3中-3價的N升至0價，NO2中+4價的N降至0價，生成7molN2轉移24mol電子。生成1molN2時轉移電子數為247mol。 ②因為反應時間相同，所以低溫時主要考慮溫度和催化劑對化學反應速率的影響；高溫時NH3與O2發(fā)生催化氧化反應。在50~250℃范圍內，NOx的去除率迅速上升段是催化劑活性隨溫度升高增大與溫度升高共同使NOx去除反應速率迅速增大；上升緩慢段主要是溫度升高引起的NOx去除反應速率增大，溫度升高催化劑活性下降。反應溫度高于380℃時，NOx的去除率迅速下降的原因可能是NH3與O2反應生成了NO，反應的化學方程式為4NH3+5O24NO+6H2O。 二、考點突破 1、認識催化劑 典例1關于催化劑的理解中不正確的是 A．由催化劑反應前后質量不變知催化劑不參加化學反應 B．催化劑具有高度的選擇性(即催化的專一性) C．酶是生物體內的一類催化劑 D．催化劑在化學反應前后的化學性質、質量不變 【答案】A 2、催化劑的判斷 典例2現(xiàn)有化學反應A(g)+B(g)=AB(g)?H(反應過程如曲線1所示)，當反應體系中加入物質K后反應分兩步進行(反應過程如曲線2所示): ①A(g)+K(g)=AK(g)?H1 ②AK(g)+B(g)=AB(g)+K(g)?H2，根據圖像分析，下列說法正確的是 A． 反應過程中AK(g)是催化劑 B． 加入催化劑會降低反應的?H C． ?H>0 D． lmolA(g)和1molB(g)的總能量高于1molAB(g)的能量 【答案】D 【解析】分析：A. 根據催化劑催化原理判斷；B.催化劑的作用是降低該反應發(fā)生所需要的活化能；C. 根據圖示判斷?H的大小；D.根據圖示中反應物和生成物具有的能量判斷。 詳解：根據①A(g)+K(g)=AK(g)和 ②AK(g)+B(g)=AB(g)+K(g)的反應，K是催化劑，AK(g)是催化劑的中間產物，所以A選項錯誤；催化劑的作用是降低該反應發(fā)生所需要的活化能，但不能夠改變化學反應的焓變，所以B選項錯誤； 根據圖示，反應物具有較高能量，生成物具有降低能量，該反應是放熱反應，?H<0，C選項不正確；從題干的圖示觀察得反應物A和B生成具有的總能量高于生成物AB的總能量，D正確。 3、催化劑加快化學反應速率 典例3下列關于催化劑的說法正確的是 A． 使用催化劑可以增大正反應速率，減小逆反應速率 B． 使用催化劑可以使化學平衡正向移動 C． 使用催化劑可以降低反應的活化能 D． 使用催化劑可以改變反應的平衡常數 【答案】C 4、催化劑不能影響化學平衡 典例4可逆反應mA(g)＋nB(g)pC(g)+qD(g)的v-t圖象如下右圖，如若其它條件不變，只是在反應前加入合適的催化劑，則其v-t圖象如圖：①a1＞a2 ②a1＜a2 ③b1＞b2 ④b1＜b2 ⑤t1＞t2 ⑥t1=t2 ⑦兩圖中陰影部分面積相等 ⑧右圖中陰影部分面積更大，以上說法中正確的是 A． ②③⑤⑧ B． ①④⑥⑧ C． ②④⑤⑦ D． ①③⑥⑦ 【答案】C 【解析】若其它條件不變，只是在反應前加入合適的催化劑，正逆反應速率均加快，縮小達到化學平衡的時間，陰影部分的面積為反應物濃度的變化量，平衡狀態(tài)沒有改變，則陰影部分面積相同?？赡娣磻猰A（g）+nB（g）pC（g）+qD（g）的v-t圖象如圖，如若其它條件不變，只是在反應前加入合適的催化劑，a1、a2為兩種條件下正反應速率，催化劑加快反應速率，則a1＜a2；使用催化劑縮小達到化學平衡的時間，則加催化劑時達到平衡的反應速率大，所以b1＜b2；使用催化劑縮小達到化學平衡的時間，則t1＞t2；陰影部分的面積為反應物濃度的變化量，平衡狀態(tài)沒有改變，則陰影部分面積相同；綜上所述②④⑤⑦說法正確，故C正確。 5、催化劑不影響反應熱 典例5下列關于熱化學反應的描述中正確的是（ ） A． HCl和NaOH反應的中和熱△H＝-57.3 kJmol-1，則1 mol硫酸與足量氫氧化鋇溶液反應放熱為114.6 kJ B． H2(g)的燃燒熱是285.8 kJmol-1，則2H2O（1）＝2H2(g)＋O2(g)反應的△H＝+571.6kJmol-1 C． 反應物的熱效應與是否使用催化劑有關 D． 500℃、30 MPa下，將0.5 mol N2和1.5 mol H2置于密閉的容器中充分反應生成NH3(g)，放熱19.3 kJ，其熱化學方程式為：N2(g) + 3H2(g) ? 2NH3(g) △H= -38.6 kJmol-1 【答案】B 6、催化劑與活化能的關系 典例6某化學反應的能量變化如右圖所示。下列有關敘述正確的是 A．該反應的反應熱ΔH＝E1－E2 B．a、b分別對應有催化劑和無催化劑的能量變化 C．催化劑能降低反應的活化能 D．催化劑能改變反應的焓變 【答案】C 【解析】A、焓變△H=產物的總焓-反應物的總焓=△H=E2-E1，故A錯誤；B、催化劑會降低反應的活化能，a、b分別對應無催化劑和有催化劑的能量變化，故B錯誤；C、催化劑能降低反應的活化能，從而加快化學反應速率，故C正確；D、加入催化劑不會改變化學反應的焓變，故D錯誤。 7、催化劑的選擇 典例7氨催化分解既可防治氨氣污染，又能得到氫能源，得到廣泛研究。 （1）已知：①反應I：4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g)　ΔH1＝－1266.6 kJmol-1， ②H2的燃燒熱ΔH2=－285.8 kJ.mol-1 ③水的氣化時ΔH3=+44.0 kJ.mol-1 反應I熱力學趨勢很大（平衡常數很大）的原因為______________________________；NH3分解的熱化學方程式________________________________。 （2）在Co-Al催化劑體系中，壓強P0下氨氣以一定流速通過反應器，得到不同催化劑下氨氣轉化率隨溫度變化曲線如下圖，活化能最小的催化劑為_______，溫度高時NH3的轉化率接近平衡轉化率的原因 _______________。如果增大氣體流速，則b點對應的點可能為______（填“a”、“c”、“d”、“e”或“f”）； （3）溫度為T時，體積為1L的密閉容器中加入0.8molNH3和0.1molH2，30min達到平衡時，N2體積分數為20%，則T時平衡常數K=______，NH3分解率為_____；達到平衡后再加入0.8molNH3和0.1molH2，NH3的轉化率________（填“增大”、“不變”、“減小”）。 （4）以KNH2為電解質溶液電解NH3，其工作原理如下圖所示，則陽極電極反應為_________。 【答案】放熱量很大的反應2NH3(g)N2(g)+3H2(g) △H=+92.1kJmol－190CoAl平衡轉化率隨溫度升高而增大，此反應為吸熱反應，溫度升高，反應速率加快，轉化率接近平衡轉化率e7.575%減小 6NH2--6e-=N2↑+4NH3↑ 【解析】（1）反應I的ΔH1＝－1266.6 kJmol-1，放熱量很大，故熱力學趨勢很大；根據蓋斯定律可知①：4NH3(g)＋3O2(g)2N2(g)＋6H2O(g)　ΔH1＝－1266.6 kJmol-1，②H2的燃燒熱H2(g)+1/2O2(g)= H2O(l) ΔH2=－285.8 kJ.mol-1 ③水的氣化時H2O(l)= H2O(g) ΔH3=+44.0 kJ.mol-1，④2NH3(g)N2(g)+3H2(g) △H，根據蓋斯定律可知④=1/2[①-6(②+③)]，即△H=1/2[－1266.6 kJmol-1-6(－285.8 kJ.mol-1+44.0 kJ.mol-1)]= 92.1kJmol－1，所以2NH3(g)N2(g)+3H2(g) △H=+92.1kJmol－1； （3）由題給數據可知，設氮氣平衡時氮氣的物質的量為xmol，則： 2NH3(g)N2(g)+3H2(g) 初始量（mol） 0.8 0 0.1 變化量（mol） 2x x 3x 平衡量（mol） 0.8-2x x 0.1+3x 相同條件下氣體的物質的量之比等于體積之比，所以達到平衡時N2的體積分數為： x0.8-0.2x+x+0.1+3x100%=20% ，解得：x=0.3mol，故平衡常數K=0.3130.22=7.5 ，NH3分解率為 0.60.8100%=75% ，達到平衡后再加入0.8molNH3和0.1molH2，容器中壓強增大，反應向逆向移動，所以氨氣的轉化率減??； （4）在電解池中，陽極失去電子，發(fā)生氧化反應，根據圖示可知右側為陽極，電極反應為： 6NH2--6e-=N2↑+4NH3↑。