高三化学第一轮复习7.2.4催化剂与反应机理的微观分析课件

专题讲座------催化剂与反应机理的微观分析初中化学九年级上册

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）。催化剂，在化工生产中具有重要而广泛的应用。人教版高中化学必修二《神奇的催化剂》

催化剂十分神奇，它能极大地加快化学反应速率(可使化学反应速率增大几个到十几个数量级)，而自身的组成、化学性质和质量在反应前后不发生变化；它和反应体系的关系就像锁与钥匙的关系一样，具有高度的选择性（或专一性）。

催化剂之所以能改变化学反应速率，是因为它能改变反应历程，改变反应的活化能。人教版高中化学选择性必修一在基于真实情境考査学生综合运用知识的能力的考试理念引导下，与化工生产关系密切的催化剂备受青睐，成了热门考点。从考査的知识看，主要从反应历程、活化能、速率、平衡移动等角度考查催化剂对反应的影响。从试题形式上看，常常融合图象、表格等信息呈现形式，考査学生吸收和整合陌生信息的能力。一、基元反应、过渡态理论研究发现，大多数化学反应并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。由反应物微粒(分子、原子、离子、自由基等)一步直接实现的变化,称为基元反应或基元步骤。例如：NO2+CO→NO＋CO2大多数化学反应不是基元反应,有不少是由多个基元反应组成的。例如H2(g)与I2(g)化合的反应是由两个基元步骤完成的：I2=2I·H2+2I·→2HI1、基元反应（1）基元反应特点:①没有中间体(中间产物)v=k[ca(A)][cb(B)]v1v2ABC连串/连续反应②速率方程：(2）反应历程反应物中间体生成物反应历程(“反应机理”)：一般的化学反应往往要经过若干个基元反应才能最后转化为生成物,这些基元反应代表了反应所经过的途径,在化学中就称为反应历程。2、过渡态理论：反应物分子并不只是通过简单碰撞直接形成产物，而是必须经过一个形成高能量活化络合物的过渡状态，并且达到这个过渡状态需要的一定的活化能，再转化成生成物。这与爬山类似，山的最高点便是过渡态。二、催化剂与催化作用1、催化剂：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。（一“变”二“不变”）2、催化特点：(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。3.催化剂与活化能(1)催化剂的催化机理：催化剂参与化学反应，生成能量更低的中间产物，降低了达到过渡态所需要的活化能，使反应易于发生，速率加快。这就是我们经常说的催化剂改变反应途径，降低反应的活化能。(3)催化反应一般过程(简化的过程)：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生成产物；④产物的解吸。（2）催化剂能降低反应所需活化能，化学反应速率加快，但不影响焓变∆H的大小，不影响平衡。

扩散

吸附

反应

4、基于催化历程的反应调控思维模型脱附（1）催化历程：扩散→吸附→反应→脱附四个基本过程。（2）影响速率的因素：催化剂的表面积大小，决定了吸附反应物的浓度，影响反应速率的快慢。（3）多相催化过程中，气相物质的浓度对反应速率无直接影响，吸附态物质的浓度才影响反应速率。（4）产物快速从催化剂表面脱附，即能加快反应的速率，又能促进平衡正向移动。练习1、氮气与氢气在催化剂表面发生合成氨反应的微粒变化历程如图所示。下列关于反应历程的先后顺序排列正确的是（

）A.④③①② B.③④①②C.③④②① D.④③②①A练习2、烯烃与氢气混合在常温常压时不反应，高温时反应很慢，但在适当的催化剂存在时可与氢气反应生成烷烃，一般认为加氢反应是在催化剂表面上进行。反应过程的如图：下列说法正确的是(

)A．乙烯和氢气生成乙烷反应的ΔH＞0B．有催化剂时的活化能E2比无催化剂时的活化能E1低，能减小反应的ΔHC．催化加氢过程中金属氢化物的一个氢原子和双键碳原子先结合，得到中间体D．催化加氢过程中催化剂将较难发生的反应分成了多个容易发生的反应，可提高反应物的转化率C练习3、如图所示：反应A+B→AB的活化能为Ea，加入催化剂K后，反应分两步进行:①A+K→AK活化能为Ea1（慢反应）②AK+B→AB+K活化能为Ea2(快反应)1、加入催化剂后，两步反应的活化能Eal和Ea2均小于原反应的活化能Ea，因此反应速率加快。2、这两步反应：由于Ea1>Ea2，第1步反应是慢反应，是决定整个反应快慢的步骤，称为“定速步骤”或“决速步骤”，活化能Ea1大的就是在催化剂条件下总反应的活化能。总反应方程式：

，反应活化能（能垒）

。EalA+B→ABK理解：练习4、研究表明CO与N2O在Fe＋作用下发生反应的能量变化及反应历程如图所示，两步反应分别为：①N2O＋Fe＋=N2＋FeO＋(慢)；②FeO＋＋CO=CO2＋Fe＋(快)。下列说法正确的是（

）A.反应①是氧化还原反应，反

应②是非氧化还原反应B.两步反应均为放热反应，总

反应的化学反应速率由反应②决定＋使反应的活化能减小，FeO＋是中间产物D.若转移1mol电子，则消耗11.2LN2OC练习5、热催化合成氨面临的两难问题是：釆用高温增大反应速率的同时会因平衡限制导致NH3产率降低。我国科研人员研制了Ti－H－Fe双温区催化剂(Ti－H区域和Fe区域的温度差可超过100℃)。Ti－H－Fe双温区催化合成氨的反应历程如图所示，其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。下列说法正确的是（

）A.①为氮氮三键的断裂过程B.①②③在低温区发生C.④为N原子由Fe区域向Ti－H区

域的传递过程D.使用Ti－H－Fe双温区催化剂使

合成氨反应转变为吸热反应C练习6、CO2选择性加氢制甲醇是解决温室应、发展绿色能源和实现经济可持续发展的重要途径之一。下图是CO2催化加氢的反应机理图(“*”表示微粒吸附在催化剂表面)。有关说法错误的是（

）A．状态②、④和⑥为反应的过渡态B．状态A到状态B的变化不能说明H2断键变成氢原子要放出能量C．催化剂能够使该反应的活化能降低，但不改变反应热D．更改催化剂不会改变状态③到状态④的能量大小D练习7、【2021•湖南】铁的配合物离子(用[L﹣Fe﹣H]+表示)催化某反应的一种反应机理和相对能量的变化情况如图所示：下列说法错误的是（

）A．该过程的总反应为HCOOH====CO2↑+H2↑ B．H+浓度过大或者过小，均导致反应速率降低C．该催化循环中Fe元素的化合价发生了变化 D．该过程的总反应速率由Ⅱ→Ⅲ步骤决定CD催化剂练习8、中国科学家在合成氨（N2+3H22NH3△H<0）反应机理研究中取得新进展，首次报道了LiH-3d过渡金属这一复合催化剂体系，并提出了“氮转移”催化机理，如图所示。下列说法不正确的是（）A．过程中有极性键形成B．复合催化剂降低了反应的活化能C．复合催化剂能降低合成氨反应的焓变D．350℃，催化效率：5LiH-Fe/MgO>铁触媒C

C

练习9、一定条件下，用Fe2O3、NiO或Cr2O3作催化剂对燃煤烟气进行回收，使SO2转化生成S。催化剂不同，其他条件相同(浓度、温度、压强)情况下，相同时间内SO2的转化率随反应温度的变化如下图，下列说法不正确的是（

）A．不考虑催化剂价格因素，选择Fe2O3作催化剂可以节约能源B．选择Fe2O3作催化剂，最适宜温度为340℃左右C．a点后SO2的转化率减小的原因可能是温度升高催化剂活性降低了D．其他条件相同的情况下，选择Cr2O3作催化剂，SO2的平衡转化率最小D

类似图像还可以考查催化剂的选择性D1、基元反应历程书写三、典例分析催化剂如何影响化学反应?Cu催化乙醇的氧化反应。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。练习1、N2O是一种强温室气体，且易形成颗粒性污染物，研究N2O的分解对环境保护有重要意义。碘蒸气的存在能大幅度提高N2O的分解速率，反应历程为：第一步I2(g)―→2I(g)(快反应)第二步I(g)＋N2O(g)―→N2(g)＋IO(g)(慢反应)第三步IO(g)＋N2O(g)―→N2(g)＋O2(g)＋I(g)(快反应)实验表明，含碘时N2O的分解速率方程v＝k·c(N2O)·c(I2)(k为速率常数)。下列表述正确的是_____(填字母)。2浓度与N2O分解速率无关

B.第二步对总反应速率起决定作用C.第二步活化能比第三步小

为反应的中间产物BD练习2、用NaClO3、H2O2

和稀硫酸制备ClO2

，反应开始时加入少量盐酸，ClO2

的生成速率大大提高(

Cl-

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+Cl2=2Cl-+O2+2H+解析：第②步中Cl2

生成Cl-,可知催化制Cl-的变化历程是:Cl-—Cl2

—Cl-,即Cl-

在第①步中变成Cl2

由题给信息及氧化还原知识可知，氧化剂是ClO3—,且ClO3—反应后生成ClO2

,离子方程式：2ClO3-+2Cl-+4H+=2ClO2+Cl2+2H2O练习3、[2022年河北]16.

(4)我国科学家研究Li-CO2电池，取得了重大科研成果，回答下列问题：①Li-CO2电池中，Li为单质锂片，则该电池中的CO2在

(填“正”或“负”)极发生电化学反应。研究表明，该电池反应产物为碳酸锂和单质碳，且CO2电还原后与锂离子结合形成碳酸锂按以下4个步骤进行，写出步骤Ⅲ的离子方程式。Ⅰ.2CO2+2e-

==C2O42-Ⅱ.C2O42-

==CO2+CO22-

Ⅲ.

.

Ⅳ.CO32-+2Li+

==Li2CO3正2CO22-+CO2

==

C+2CO32-

练习4、[2022年浙江]一氧化碳变换反应：CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)△H=−41kJ·mol-1以固体催化剂M催化变换反应，若水蒸气分子首先被催化剂的活性表面吸附而解离，能量-反应过程如图所示。用化学方程式表示该催化反应历程(反应机理)：

。

。M+H2O=MO+H2MO+CO=M+CO2从能量-反应过程图能获取哪些信息？经历2个基元反应练习5、[2022年浙江6月]一定条件下，在Na2S-H2SO4-H2O2溶液体系中，检测得到pH-时间振荡曲线如图，同时观察到体系由澄清→浑浊→澄清的周期性变化。可用一组离子方程式表示每一个周期内的反应进程，请补充其中的两个离子方程式。Ⅰ.

S2-+H+

==HS-；Ⅱ①

；Ⅲ.HS-+H2O2

+H+

==

S↓

+2H2O；Ⅳ.②

。练习1、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、有和有Cat.2三种情况下"反应过程一能量"示意图2.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,即在的作用下反应的活化能低。反应过程能量

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。表中数据表明此时反应未达到平衡，不同的催化剂对反应Ⅰ的催化能力不同，因而在该时刻下对甲醇选择性有影响练习2、三甲胺【N(CH3)3】是重要的化工原料，最近我国科学家实现了使用铜催化剂将N,N—二甲基甲酰胺【(CH3)2NCHO，简称为DMF】转化为三甲胺的合成路线。（1）结合实验与计算机模拟结果，研究单一DMF分子在铜催化剂表面的反应历程，如图所示:该历程中最大能垒(活化能)=

eV,该步骤的化学方程式为：

（2）该反应的∆H

（填“＞”、“＜”或“=”），制备三甲胺的热化学方程式为：

(CH3)2NCHO(g)十2H2(g)═N(CH3)3(g)十H2O(g)△H═‒AeV/molN(CH3)3+OH*+H*═N(CH3)3↑

+H2O↑＜练习1、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的浓度随时间变化的趋势曲线，并标明编号。3、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。c(NO)

催化剂不影响平衡转化率。

催化剂只是在有多个副反应的情况下增加某一反应的反应速率，使得在一定时间内该反应的产率最大。实际生产很少有等到化学平衡再提取产物的，这样做十分浪费时间，所以工业生产一般不说平衡转化率而只说转化率。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。4、温度与催化剂活性练习1、（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。练习1、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________________；5、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］Mn2+对O2+2H2SO3=2H2SO4的反应有催化作用归纳小结：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。6、催化剂、温度对平衡的综合影响练习1、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作用下的脱氮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，相同温度时的脱氮率要小于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。练习1、某科研小组研究臭氧氧化-碱吸收法同时脱除SO2和NO工艺,氧化过程反应原理及反应热、活化能数据如下:反应Ⅰ:NO(g)+O3(g)NO2(g)+O2(g)

ΔH1=-200.9kJ·mol-1Ea1=+3.2kJ·mol-1反应Ⅱ:SO2(g)+O3(g)SO3(g)+O2(g)

ΔH2=-241.6kJ·mol-1Ea2=+58kJ·mol-1已知该体系中臭氧发生分解反应:2O3(g)3O2(g)。请回答:其他条件不变,每次向容积为2L的反应器中充入含1.0molNO、1.0molSO2的模拟烟气和2.0molO3,改变温度,反应相同时间t后体系中NO和SO2的转化率如图所示:(1)由图可知相同温度下NO的转化率远高于SO2,结合题中数据分析其可能原因______________________________________。

(2)下列说法正确的是____(填字母)。

点一定为平衡状态点B.温度高于200℃后,NO和SO2

的转化率随温度升高显著下降,

最后几乎为零C.其他条件不变,若缩小反应器的容积

可提高NO和SO2的转化率反应Ⅰ的活化能小于反应Ⅱ的活化能,相同条件下更易发生反应BC反应Ⅰ的活化能小于反应Ⅱ的活化能,相同条件下更易发生反应若低于200℃,图2中曲线Ⅰ脱氮率随温度升高而变化不大的主要原因为

;

a点

(填“是”或“不是”)对应温度下的平衡脱氮率,说明其理由__________________________________。

练习2、某研究小组探究催化剂对CO、NO转化的影响。2NO(g)+2CO(g)

N2(g)+2CO2(g)

ΔH1=-746.5kJ·mol-1。将NO和CO以一定的流速通过两种不同的催化剂进行反应,相同时间内测量逸出气体中NO含量,从而确定尾气脱氮率(脱氮率即NO的转化率),结果如图所示。温度较低时,催化剂的活性偏低不是该反应为放热反应,根据曲线Ⅱ可知,a点对应温度下的平衡脱氮率应该更高练习3、CO2催化加氢合成二甲醚是一种CO2转化方法,其过程中主要发生下列反应:反应Ⅰ:CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)ΔH=+41.2kJ·mol-1反应Ⅱ:2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(g)

ΔH=-122.5kJ·mol-1在恒压、CO2和H2的起始量一定的条件下,CO2平衡转化率和平衡时CH3OCH3的选择性随温度的变化如图。其中:增大压强、使用对反应Ⅱ催化活性更高的催化剂①温度高于300℃,CO2平衡转