催化劑問題一、正確理解催化劑的概念2014年國際純粹與(yu) 應用化學聯合會(hui) （IUPAC）明確指出：“催化劑”這個(ge) 術語不再用於(yu) 減慢化學反應速率的物質。減慢化學反應速率的物質叫抑製劑。IUPAC將“催化劑”定義(yi) 為(wei) ...
催化劑問題
一、正確理解催化劑的概念
2014年國際純粹與(yu) 應用化學聯合會(hui) （IUPAC）明確指出：“催化劑”這個(ge) 術語不再用於(yu) 減慢化學反應速率的物質。減慢化學反應速率的物質叫抑製劑。
IUPAC將“催化劑”定義(yi) 為(wei) ：催化劑是增加反應速率但不改變總反應的標準吉布斯自由能的物質。圖片
二、催化劑的作用（催化劑的“四能”和“四不能”）
1. 催化劑的“四能”
① 催化劑隻能加速自發的化學反應，即ΔG＝ΔH-TΔS＜0時的化學反應。
② 催化劑能改變化學反應曆程。
③ 能同時以相同的幅度降低正反應和逆反應的活化能。
④ 能加快化學反應速率，縮短化學反應時間，提高化學反應效率，提高生成物的產(chan) 率。
2. 催化劑的“四不能”
① 催化劑不能改變ΔH。
② 催化劑不能改變反應物的平衡轉化率。
③ 催化劑不能改變化學平衡常數。
④ 催化劑不能改變化學平衡移動方向。
三、催化劑的性質
1.催化劑有選擇性
同樣的反應物選擇不同的催化劑可獲得不同的產(chan) 物，比如：
① 4NH3 (g) + 5O2 (g)＝4NO (g) + 6H2O (g)
② 4NH3 (g) + 4O2 (g)＝2N2O (g) + 6H2O(g)
③ 4NH3 (g) + 3O2 (g)＝2N2 (g) + 6H2O(g)
所以，硝酸生產(chan) 中應該選擇有利於(yu) ① 的催化劑。
對於(yu) 平行反應，選擇合適的催化劑可以提高目標生成物的產(chan) 率。我們(men) 把生成目標生成物的反應叫主反應，其它的反應叫副反應。催化劑的選擇性實質是主反應與(yu) 副反應化學反應速率的競爭(zheng) ，主反應的速率越快，主產(chan) 物就越多，副產(chan) 物就越少，因此提高化學反應速率和主產(chan) 物產(chan) 率的好方法是選擇合適的催化劑。
2. 催化劑有一性。
專(zhuan) 一性就是催化劑隻催化主反應，而對副反應不起作用。
3. 催化劑的活性。
對於(yu) 某一催化反應，選擇不同的催化劑後，化學反應的活化能降得越低催化劑的活性就越好。
催化劑的活性受溫度、pH、雜質的影響。
催化劑失活有三種類型，分別是化學失活、熱失活和機械失活。
化學失活也叫催化劑中毒，使催化劑中毒的物質通常是一些含硫、磷、砷的化合物以及鹵素化合物、重金屬化合物等。防治辦法是在反應之前除去毒物，比如工業(ye) 合成氨中的H2S、O2、CO等雜質氣體(ti) 會(hui) 使催化劑中毒，必須用［Cu（NH3）2］Ac洗氣。
大多數催化劑都有有效使用溫度範圍，超過範圍活性就會(hui) 降低甚至完全喪(sang) 失。機械失活指固體(ti) 催化劑顆粒在抵抗摩擦、衝(chong) 擊等過程中導致破壞。結焦積炭也是一種常見的機械失活，由於(yu) 積炭覆蓋在催化劑活性中心，導致催化劑活性中心減少、堵塞。積炭失活後可燒炭再生，即通過將催化劑孔隙中的含碳沉積物氧化為(wei) CO和CO2除去可恢複催化活性。
四、催化劑的組成
中學階段接觸的催化反應幾乎都是一種單質或化合物作催化劑，易使初學者錯誤認為(wei) 催化劑都是純淨物。
實際上，工業(ye) 上絕大多數催化劑都是有多種物質組成的混合體(ti) 。
一般來說，催化劑有主催化劑、助催化劑和載體(ti) 構成。
主催化劑是催化劑的活性成分，是起催化作用的根本物質。
助催化劑是在催化劑中具有提高活性組分的活性和選擇性，改善催化劑的耐熱、抗毒和壽命等性能的組分。助催化劑通常可分為(wei) 結構助催化劑和電子助催化劑。
例如，合成NH3所用的催化劑還原鐵粉，其組成為(wei) 含29%～35%的FeO和含55%～65%的Fe3O4的混合物，經H2還原形成活性鐵微晶；助催化劑的成分為(wei) 含2%～4%的Al2O3、含3%～4%的MgO和含0.5%～0.8%的K2O。Al2O3和MgO是結構型助催化劑，主要起骨架作用及增大催化劑表麵、防止鐵微晶長大和燒結的作用。
K2O是電子型助催化劑，幫助鐵把電子傳(chuan) 給氮，有利於(yu) 氮的吸附和活化。
載體(ti) 是催化活性組分的分散劑、黏合劑或支撐體(ti) ，是負載活性成分的骨架。常見的載體(ti) 有沸石、矽膠、分子篩、Al2O3、活性炭、矽藻土等。催化反應隻在催化劑表麵進行，增大載體(ti) 表麵積可以提高催化效率，這就是因此選用多孔物質作為(wei) 載體(ti) 的原因。
催化劑有球狀、柱狀、蜂窩狀。
六個(ge) 高考考點
一、催化劑與(yu) 反應曆程
催化劑如何影響化學反應？有一個(ge) 熟悉的例子：Cu催化乙醇的氧化反應。
2Cu＋O2=加熱=2CuO
CH3CH2OH＋CuO -加熱-> CH3CHO＋Cu＋H2O
催化劑Cu先參與(yu) 反應後又重新生成，它經曆了Cu→CuO→Cu的變化曆程。
用NaClO3、H2O2和稀製備ClO2。反應開始時加入少量鹽酸，ClO2的生成速率大大提高(Cl－對反應有催化作用)。該過程可能經兩(liang) 步反應完成，將其補充完整：
①_______________________________________________(用離子方程式表示)；
②H2O2＋Cl2===2Cl－＋O2＋2H＋。
[解析] 第②步中Cl2生成Cl－，可知催化劑Cl－的變化曆程是Cl－→Cl2→Cl－，即Cl－在第①步中變成Cl2。由題給信息及氧化還原知識可知，氧化劑是ClO，且ClO反應後生成ClO2。離子方程式：2ClO＋2Cl－＋4H＋===2ClO2↑＋Cl2↑＋2H2O。
[答案] 2ClO＋2Cl－＋4H＋===2ClO2↑＋Cl2↑＋2H2O
二、催化劑與(yu) 活化能、焓變
催化劑通過降低反應的活化能而加快反應速率。而且催化劑的性能越好，反應的活化能越低。
[例2] 在Cu/ZnO催化劑存在下，CO2和H2可發生兩(liang) 個(ge) 平行反應：
CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g) Ⅰ
CO2(g)＋H2(g)⇌CO(g)＋H2O(g) Ⅱ
某實驗室控製CO2和H2初始投料比為(wei) 1∶2.2，在相同壓強下，經過相同時間測得實驗數據如下表所示。在圖中分別畫出反應Ⅰ在無催化劑、有Cat.1和有Cat.2三種情況下“反應過程—能量”
【備注】 甲醇選擇性：轉化的CO2中生成甲醇的百分比。
[解析] 據表中的數據可以算出生成CH3OH的CO2占全部CO2的百分比。543K，Cat.1作用下是12.3%×42.3%≈5.20%，Cat.2作用下是10.9%×72.7%＝7.92%。所以Cat.2的催化選擇性要好於(yu) Cat.1，即在Cat.2的作用下反應的活化能低。
[答案]
[歸納小結] 作圖時還要注意，催化劑不能改變反應物、生成物的總能量，所以曲線的起點、終點應相同。也正是這個(ge) 原因，所以催化劑不能改變反應的焓變。
三、催化劑與(yu) 反應速率、平衡移動
催化劑能加快反應速率，縮短到達平衡所需時間。催化劑的活性越好，所需時間越短。但催化劑不能使化學平衡發生移動。
[例3] 密閉容器中發生反應：2NO(g)＋2CO(g)⇌N2(g)＋2CO2(g) ΔH＜0。研究表明：在使用等質量同種催化劑時，增大催化劑比表麵積可提高反應速率。某同學設計了下表所示的三組實驗。請在圖中畫出三個(ge) 實驗中c(NO)隨時間變化的趨勢曲線，並標明實驗編號。
[解析] 先比較實驗Ⅰ、Ⅱ：實驗Ⅱ的催化劑比表麵積大，故實驗Ⅱ的反應速率大；因催化劑不影響平衡移動，故達到平衡後，實驗Ⅰ、Ⅱ的c(NO)相同。再比較Ⅱ、Ⅲ：實驗Ⅲ的溫度高，故實驗Ⅲ的反應速率大；因溫度升高，平衡左移，故平衡時c(NO)較大。
[答案]
四、溫度與(yu) 催化劑活性
催化劑具有一定範圍的活化溫度，過高或過低，都會(hui) 導致催化劑的活性降低。如生物催化劑酶，對溫度就非常敏感。
[例4] (2017·高考天津卷節選)H2S和SO2會(hui) 對環境和人體(ti) 健康帶來極大的危害，工業(ye) 上采取多種方法減少這些有害氣體(ti) 的排放……生物脫H2S的原理為(wei)
H2S＋Fe2(SO4)3===S↓＋2FeSO4＋H2SO4
4FeSO4＋O2＋2H2SO4==2Fe2(SO4)3＋2H2O
硫杆菌存在時，FeSO4被氧化的速率是無菌時的5×105倍，該菌的作用是________。若反應溫度過高，反應速率下降，其原因是___________________________________。
[解析] 因為(wei) 硫杆菌能顯著加快反應速率，故它是反應的催化劑。當反應溫度過高時，硫杆菌會(hui) 因蛋白質變性而失去了催化性能，反應速率明顯下降。
[答案] 催化劑 硫杆菌因蛋白質變性而失去了催化性能。
五、催化劑的來源問題
化學中有一類特殊反應，叫自催化反應，該類反應中的生成物對反應有催化作用。它的特點之一是開始反應速率很小，隨著起催化作用的產(chan) 物的積累速率迅速增大。
[例5] 向三頸燒瓶中加入一定量的MnO2和水，攪拌，通入SO2和N2混合氣體(ti) ，恒溫下發生反應：MnO2＋H2SO3===MnSO4＋H2O。若將N2換成空氣，測得c(Mn2＋)、c(SO)隨時間t的變化如圖所示。導致c(Mn2＋)、c(SO)變化產(chan) 生明顯差異的原因是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
[解析] “N2換成空氣”發生了副反應：O2＋2H2SO3===2H2SO4。表示c(SO)的曲線斜率逐漸增大，說明SO的生成速率逐漸增大。因反應物濃度、壓強、溫度、接觸麵積等維持不變，所以導致SO的生成速率加快的因素應是催化劑，而且催化劑是某種生成物，應是Mn2＋。
[答案]Mn2＋對O2和H2SO3的反應有催化作用
[歸納小結]判斷一個(ge) 化學反應是否是自催化反應，先要排除溫度、濃度、壓強、接觸麵積等的影響，然後再分析是何種生成物具有催化作用。
六、催化劑、溫度對平衡的綜合影響
[例6] NH3催化還原氮氧化物技術是目前應用廣泛的煙氣脫氮技術：4NH3(g)＋6NO(g) ⇌ 5N2(g)＋6H2O(g) ΔH＜0。密閉容器中，在相同時間內(nei) ，在催化劑A作用下脫氮率隨溫度變化如圖所示。現改用催化能力稍弱的催化劑B進行實驗，請在圖中畫出在催化劑B作用下的脫氮率隨溫度變化的曲線(不考慮溫度對催化劑活性的影響)。
[解析] 先分析催化劑A作用下的脫氮率為(wei) 什麽(me) 會(hui) 先增大後減小。低於(yu) 300 ℃時，溫度越高，反應速率越快，相同時間內(nei) 消耗的NO越多，所以脫氮率增大。高於(yu) 300 ℃時，因為(wei) 溫度升高，平衡逆向移動，消耗的NO減小，所以脫氮率下降。
改用催化劑B，就涉及催化劑和溫度兩(liang) 個(ge) 變量，在解題時要分別考慮。①B催化下，隨著溫度的升高，脫氮率也應先增大後減小。②達到曲線高點之前，B的催化能力弱，相同溫度時的脫氮率要小於(yu) A。即所畫曲線應在A的下方。③B催化下在相同時間內(nei) 達到平衡，則曲線高點應出現在高於(yu) 300 ℃的位置。④當A、B均達到平衡後，平衡脫氮率隻與(yu) 溫度有關(guan) ，所以兩(liang) 條曲線重合。
[答案]
[概括整合] 催化劑通過參與(yu) 化學反應，改變反應曆程，從(cong) 而降低活化能，加快反應速率，到達平衡所需的時間減少。但催化劑不能改變焓變，也不能使平衡移動。催化劑的催化性能也會(hui) 受外界條件的影響，如溫度、表麵積等。
