化学反应机理历程、活化能 、 催化剂

化学反应机理——历程、活化能、催化剂2021年热门考点基于真实情境，考查学生综合运用知识的能力，与化工生产关系密切的催化剂，主要从反应历程、活化能、速率、平衡移动等，考查催化剂对反应的影响。从 试题 中考模拟试题doc幼小衔接 数学试题 下载云南高中历年会考数学试题下载N4真题下载党史题库下载 形式上看，常常融合图像、 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 格等信息呈现形式，考查学生吸收和整合陌生信息的能力。催化剂如何影响化学反应？例如：Cu催化乙醇的氧化反应：2Cu+O2=^=2CuO；CH3CH2OH+CuO=^=CH3CHO+Cu+H2O催化剂Cu先参与反应后又重新生成，它经历了Cu-CuO-Cu的变化历程。01.催化剂与反应历程［例1］用NaCIO3、H2O2和稀硫酸制备CIO2，反应开始时加入少量盐酸，CIO2的生成速率大大提高(CI-对反应有催化作用)。该过程可能经两步反应完成，将其补充完整：①____________________（用离子方程式表示）；②H2O2+CI2=2CI—+O2+2H+解析：第②步中CI2生成CI—,可知催化制CI—的变化历程是:CI—___CI2—CI—,即CI—在第①步中变成CI2由题给信息及氧化还原知识可知，氧化剂是CIO3—,且CIO3—反应后生成CIO2,离子方程式：2CIO3—+2CI—+4H+=2CIO2+CI2+2H2O例2.在Cu/ZnO催化剂存在下，C02和H2可发生两个平行反应：Ⅰ.CO2(g)+3H2(g)=^=CH3OH(g)+H2O(g)；Ⅱ.CO2(g)+H2(g)=^=CO(g)+H2O(g)某实验室控制C02和H2初始投料比为1:2.2,在相同压强下，经过相同时间测得实验数据如下表所示。在图中分别画出反应I在无催化剂、有Cat.1和有Cat.2三种情况下"反应过程一能量"示意图02.催化剂与活化能、焓变催化剂通过降低反应的活化能，从而加快反应速率。催化剂的性能越好，反应的活化能越低。反应过程解析.据表中的数据可以算出生成CH3OH的CO2占全部C02的百分比。543K,Cat.1作用下是：12.3%x42.3%=5.20%,Cat.2作用下是：10.9%x72.7%=7.92%。所以Cat.2的催化选择性要好于Cat.1,即在Cat.2的作用下反应的活化能低。反应过程能量02.催化剂与活化能、焓变归纳小结：作图注意：催化剂不能改变反应物、生成物的总能量、焓变，所以曲线的起点、终点应相同。例3（2019全国I卷28）（3）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小黑点标注。02.催化剂与活化能、焓变可知水煤气变换的ΔH__0（填“大于”“等于”或“小于”），该历程中最大能垒（活化能）E正=__eV，写出该步骤的化学方程式__________。(1)根据水煤气变换[CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)]并结合水煤气变换的反应历程相对能量可知，CO(g)+H2O(g)的能量（-0.32eV）高于CO2(g)+H2(g)的能量（-0.83eV），故水煤气变换的ΔH小于0；（2）活化能即反应物状态达到活化状态所需能量。根据变换历程的相对能量可知，最大差值为：其最大能垒（活化能）E正=1.86-(-0.16)eV=2.02eV；该步骤的反应物为：COOH*+H*+H2O*＝COOH*+2H*+OH*；因反应前后COOH*和1个H*未发生改变，也可以表述成：H2O*＝H*+OH*；02.催化剂与活化能、焓变例4.密闭容器中发生反应：2N0(g)+2CO(g)=N2(g)+2CO2(g)△H<0。研究表明:在使用等质量同种催化剂时，增大催化剂比表面积可提高反应速率。某同学设计了下表所示的三组实验。请在图中画出三个实验中，NO随时间变化的趋势曲线，并标明编号。03.催化剂与反应速率、平衡移动催化剂——能加快反应速率，缩短到达平衡所需时间。催化剂的活性越好，所需时间越短。但催化剂不能使化学平衡发生移动。解析：（1）先比较实验Ⅰ、Ⅱ：实验Ⅱ的催化剂比表面积大，故实验Ⅱ的反应速率大；因催化剂不影响平衡移动，故达到平衡后，实验Ⅰ、Ⅱ的c(NO)相同。（2）再比较Ⅱ、Ⅲ：实验Ⅲ的温度高，故实验Ⅲ的反应速率大；因温度升高,平衡左移，故平衡时dNO)较大。03.催化剂与反应速率、平衡移动催化剂具有一定范围的活化温度，过高或过低，都会导致催化剂的活性降低。如生物催化剂酶，对温度就非常敏感。04.温度与催化剂活性例5.（2017天津）H2S和SO2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H2S的原理为H2S+Fe2(SO4)3=S+2FeSO4+H2SO44FeSO4+02+2H2SO4=2Fe2(SO4)3+2H2O硫杆菌存在时，FeSO4被氧化的速率是无菌时的5x105倍，该菌的作用是___；若反应温度过高，反应速率下降，其原因是___________；解析：反应的催化剂；催化剂硫杆菌因蛋白质变性而失去了催化性能。例6.向三颈烧瓶中加入一定量的MnO2和水，搅拌，通入SO2和N2混合气体，恒温下发生反应：MnO2+H2SO3=MnSO4+H2O；若将N2换成空气，测得C(Mn2+)、C(SO42—)随时间t的变化如图所示。导致C(Mn2+)、C(SO42—)变化产生明显差异的原因是________________；05.催化剂的来源问题化学中有一类特殊反应，叫自催化反应，该类反应中的生成物对反应有催化作用。它的特点之一是开始反应速率很小，随着起催化作用的产物的积累速率迅速增大。解析：由图可知，"N2换成空气"发生了副反应：O2+2H2SO3=2H2SO4表示C(SO42—)的曲线斜率逐渐增大，说明SO42—的生成速率逐渐增大，因反应物浓度、压强、温度、接触面积等维持不变，所以导致SO42—的生成速率加快的因素应是催化削，而且催化剂是某种生成物，应是Mn2+［ 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 ］Mn2+对：O2+2H2SO3=2H2SO4的反应有催化作用05.催化剂的来源问题归纳小结：判断一个化学反应是否是自催化反应，先要排除温度、浓度、压强、接触面积等的影响，然后再分析是何种生成物具有催化作用。06.催化剂、温度对平衡的综合影响例6.NH3催化还原氮氧化物技术是目前应用最广泛的烟气脱氮技术：4NH3(g)+6NO(g)=5N2(g)+6H2O(g)H<0.密闭容器中，在相同时间内，在催化剂A作用下脱氮率随温度变化如图所示。现改用催化能力稍弱的催化剂B进行实验，请在图中画出在催化剂B作用下的脱氮率随温度变化的曲线(不考虑温度对催化剂活性的影响)脱氮率解析：(1)先分析催化剂A作用下的脱氧率为什么会先增大后减小？低于300°C时，温度越高，反应速率越快，相同时间内消耗的NO越多，所以脱氮率增大；高于300°C时，因为温度升高，平衡逆向移动，消耗的NO减小，所以脱氮率下降。(2)改用催化剂B，就涉及催化剂和温度两个变量：①B催化下，随着温度的升高，脱策率也应先增大后减小；②达到曲线最高点之前，B的催化能力弱，相同温度时的脱氛率要小于A，即所画曲线应在A的下方。③B催化下在相同时间内达到平衡，则曲线最高点应出现在高于300°C的位置。④当A、B均达到平衡后，平衡脱氮率只与温度有关，所以两条曲线重合。06.催化剂、温度对平衡的综合影响概括整合I催化剂通过参与化学反应，改变反应历程，从而降低活化能，加快反应速率，到达平衡所需的时间减少。但催化剂不能改变焓变，也不能使平衡移动，催化剂的催化性能也会受外界条件的影响，如温度、表面积等。【2020山东】14．1,3-丁二烯与HBr发生加成反应分两步：第一步H+进攻1,3-丁二烯生成碳正离子（）；第二步Br-进攻碳正离子完成1,2-加成或1,4-加成。反应进程中的能量变化如下图所示。已知在0℃和40℃时，1,2-加成产物与1,4-加成产物的比例分别为70:30和15:85。下列说法正确的是[]A．1,4-加成产物比1,2-加成产物稳定 B．与0℃相比，40℃时1,3-丁二烯的转化率增大 C．从0℃升至40℃，1,2-加成正反应速率增大，1,4-加成正反应速率减小D．从0℃升至40℃，1,2-加成正反应速率的增大程度小于其逆反应速率的增大程度[案例1]反应机理的考查③有研究表明，在催化剂存在下，反应Ⅱ分两步进行，且第二步速率较慢（反应活化能为210kJ.mol-1）。根据相关物质的相对能量，画出反应Ⅱ分两步进行的“能量-反应过程图”，起点从的能量—477kJ.mol-1开始（如图2）。案例2：能量-反应过程图的深度理解要点：1.能量-反应过程图的构造特点；2.三个关键点的能量数值；3.第二步活化能的表示！（2）①CO2和C2H6按物质的量1:1投料，在923K和保持总压恒定的条件下，研究催化剂X对“CO2氧化C2H6制C2H4”的影响，所得实验数据如下表：催化剂转化率C2H6/%转化率CO2/%产率C2H4/%催化剂X19.037.63.3结合具体反应分析，在催化剂X作用下，CO2氧化C2H6的主要产物是___，判断依据是____。案例3：反应机理的探究要点：物料、温度、压强恒定，只是催化剂的影响——1是快慢；2是参与，改变机理；3是选择性催化；I.C2H6⇆C2H4+H2II.C2H6+CO2⇆C2H4+H2O+COIII.C2H6+2CO2⇆4CO+3H2Ⅳ.CO2+H2⇆CO+H2O结论：C2H6与CO2的产率约为1：2，且C2H4的产率低，说明催化剂X有利于提高反应Ⅲ速率。29．（10分） （1）①430②AD ③（2）①CO；C2H4的产率低，说明催化剂X有利于提高反应Ⅲ速率②选择性膜吸附C2H4，促进反应Ⅱ平衡正向移动1.碰撞理论反应物分子(或原子、离子)之间必须相互碰撞，才有可能发生化学反应。但是反应物分子之间并不是每一次碰撞都能发生反应。活化分子：是指一些动能特大,且能发生有效碰撞的分子。活化能(Ea)：活化分子的平均能量与反应物分子的平均能量之差，即：Ea＝活化分子Ea*－普通分子E注意：(1)一般化学反应的活化能约在40～400KJ.mol-1之间；(2)一定温度，反应活化能(Ea)越大，活化分子百分数越小，反应速度越慢；反之Ea越小，活化分子所占的百分数越大，反应速度越快。反应速率理论简介过渡状态理论认为：化学反应不只是通过反应物分子之间简单碰撞就能完成的，而是在碰撞后先要经过一个中间的过渡状态，即首先形成一种活性集团(活化配合物)A+B-C[A···B···C]　A-B+C活化络合物快慢活化络合物不稳定，或是恢复为反应物，或是变成产物。若产物分子能量比一般反应物分子低，多余能量便以热的形式释放出来，就是放热反应；反之，即是吸热反应（2）过渡状态理论反应进程势能反应热与活化能的关系:A2+B2A2B22ABrHm°=Ea--Ea’A2+B22ABABABEaEa’H正反应的活化能逆反应的活化能反应热活化能的特征1.均为正值，一般在：40—400kJ·mol-1，Ea<40,反应十分快，Ea>400,慢得难以觉察。2.活化能的大小仅由反应物本性及反应的途径决定，与反应物的浓度无关，在温度变化不大时，也与温度无关3.一般地，Ea愈小，活化分子数愈多，单位体积内碰撞次数愈多，其反应速率愈大40℃，CCl4中N2O5分解反应的υ：c(N2O5)化学反应速率方程N2O5的分解速率与N2O5浓度的比值是恒定的，即反应速率υ与c(N2O5)成正比。(1)基元反应的速率方程反应物分子在有效碰撞中一步直接转化为产物的反应称为基元反应。（由一个基元反应构成的化学反应称为简单反应）。对一般基元反应，则v=kca(A)cb(B)...(质量作用定律）k为速率常数：与T有关，与c无关n=a+b+…(反应级数)（2）由两个或多个基元反应的反应：实际是两步完成：如：H2(g)+I2(g)=2HI(g)I2(g)=I(g)+I(g)H2(g)+I(g)+I(g)=HI(g)+HI(g)反应级数越大，则反应物浓度对反应速率的影响越大。（3）在多相反应中,固态反应物的浓度和不互溶的纯液体反应物的浓度不写入速率方程。C(s)+O2(g)⇆CO2(g)2Na(l)+2H2O(l)⇆2NaOH(aq)+H2(g)速率方程分别为：反应速率=kc(O2)反应速率=k（4）对气相反应和有气相参与的反应,速率方程中浓度项可用分压代替。碳与氧生成二氧化碳反应的速率常数亦可表示为：反应速率=k’p(O2)（显然k’不是k）（4）阿仑尼乌斯(Arrhenius)经验公式A：反应的特征常数，称为指前因子e：自然对数的底数，2.718R：气体常数，为8.314J·mol-1·K-1T：热力学温度(K)Ea：活化能(kJ·mol-1)K=A.eEaRT催化剂:存在少量就能显著改变反应速率，反应结束时，其自身的质量、组成和化学性质基本不变的物质。催化特点：(5)催化剂与催化作用①高效性，可以大大地加快反应速率。②选择性，反应不同，催化剂不同。③同等程度地加快正、逆反应的速率。④不能改变反应的可能性和平衡常数。【例】已知乙醛的催化分解与非催化分解反应分别为:①CH3CHO=CH4+COEa催=136kJ·mol-1②CH3CHO=CH4+COEa=190kJ·mol-1若反应①与②的指前因子A近似相等，在300K时，反应①的反应速度是反应②_________倍。2.5×109均相催化：反应物与催化剂处于同一相。例：2SO2(g)+O2(g)=2SO3(g)NO作催化剂S2O82-+2I-=2SO42-+I2Cu2+作催化剂多相催化：催化剂与反应物处于不同的相中，反应在催化剂表面进行。例:C2H4+H2=C2H6Ni作催化剂N2+3H2=2NH3Fe作催化剂均相催化和多相催化多相催化原理：反应物被吸附在催化剂的表面，使反应物部分化学键被削弱，从而较易进行反应生成产物，反应后产物从催化剂表面解吸。催化剂表面的吸附示意图多相催化作用仅仅发生在催化剂表面,所以催化作用能力的大小与催化剂的表面积大小密切相关。酶催化酶催化的特点：高效性，比普通催化剂高得多。选择性更强。温度过高、酸碱度过大会使酶失去活性。k催k=108~1020生物体内存在着的一类具有催化能力的蛋白质,称为酶。