届高考化学难点剖析专题51高考试题中催化剂的考查讲解.docx
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届高考化学难点剖析专题51高考试题中催化剂的考查讲解
专题51高考试题中催化剂的考查
一、高考题再现
1.(2018课标Ⅱ)CH4-CO2催化重整不仅可以得到合成气(CO和H2),还对温室气体的减排具有重要意义。
回答下列问题:
(1)CH4-CO2催化重整反应为:
CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)。
已知:
C(s)+2H2(g)=CH4(g)ΔH=-75kJ·mol−1
C(s)+O2(g)=CO2(g)ΔH=-394kJ·mol−1
C(s)+1/2O2(g)=CO(g)ΔH=-111kJ·mol−1
该催化重整反应的ΔH==______kJ·mol−1。
有利于提高CH4平衡转化率的条件是____(填标号)。
A.高温低压B.低温高压C.高温高压D.低温低压
某温度下,在体积为2L的容器中加入2molCH4、1molCO2以及催化剂进行重整反应,达到平衡时CO2的转化率是50%,其平衡常数为_______mol2·L−2。
(2)反应中催化剂活性会因积碳反应而降低,同时存在的消碳反应则使积碳量减少。
相关数据如下表:
积碳反应
CH4(g)=C(s)+2H2(g)
消碳反应
CO2(g)+C(s)=2CO(g)
ΔH/(kJ·mol−1)
75
172
活化能/
(kJ·mol−1)
催化剂X
33
91
催化剂Y
43
72
①由上表判断,催化剂X____Y(填“优于”或“劣于”),理由是_________________。
在反应进料气组成、压强及反应时间相同的情况下,某催化剂表面的积碳量随温度的变化关系如图所示。
升高温度时,下列关于积碳反应、消碳反应的平衡常数(K)和速率(v)的叙述正确的是________填标号)。
A.K积、K消均增加B.v积减小,v消增加
C.K积减小,K消增加D.v消增加的倍数比v积增加的倍数大
②在一定温度下,测得某催化剂上沉积碳的生成速率方程为v=k·p(CH4)·[p(CO2)]-0.5(k为速率常数)。
在p(CH4)一定时,不同p(CO2)下积碳量随时间的变化趋势如图所示,则pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2)从大到小的顺序为________________。
【答案】247A
劣于相对于催化剂X,催化剂Y积碳反应的活化能大,积碳反应的速率小;而消碳反应活化能相对小,消碳反应速率大ADpc(CO2)、pb(CO2)、pa(CO2)
【解析】
(1)已知:
①C(s)+2H2(g)=CH4(g)ΔH=-75kJ·mol−1
②C(s)+O2(g)=CO2(g)ΔH=-394kJ·mol−1
③C(s)+1/2O2(g)=CO(g)ΔH=-111kJ·mol−1
根据盖斯定律可知③×2-②-①即得到该催化重整反应CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)的ΔH=+247kJ·mol−1。
正反应是体积增大的吸热反应,所以有利于提高CH4平衡转化率的条件是高温低压,答案选A;某温度下,在体积为2L的容器中加入2molCH4、1molCO2以及催化剂进行重整反应,达到平衡时CO2的转化率是50%,根据方程式可知
CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)
起始浓度(mol/L)10.500
转化浓度(mol/L)0.250.250.50.5
平衡浓度(mol/L)0.750.250.50.5
所以其平衡常数为
mol2·L−2。
2.(2018天津)CO2是一种廉价的碳资源,其综合利用具有重要意义。
回答下列问题:
(1)CO2可以被NaOH溶液捕获。
若所得溶液pH=13,CO2主要转化为______(写离子符号);若所得溶液c(HCO3−)∶c(CO32−)=2∶1,溶液pH=___________。
(室温下,H2CO3的K1=4×10−7;K2=5×10−11)
(2)CO
2与CH4经催化重整,制得合成气:
CH4(g)+CO2(g)
2CO(g)+2H2(g)
①已知上述反应中相关的化学键键能数据如下:
化学键
C—H
C=O
H—H
C
O(CO)
键能/kJ·mol−1
413
745
436
1075
则该反应的ΔH=_________。
分别在VL恒温密闭容器A(恒容)、B(恒压,容积可变)中,加入CH4和CO2各1mol的混合气体。
两容器中反应达平衡后放出或吸收的热量较多的是_______(填“A”或“B”)。
②按一定体积比加入CH4和CO2,在恒压下发生反应,温度对CO和H2产率的影响如图3所示。
此反应优选温度为900℃的原因是________。
(3)O2辅助的Al~CO2电池工作原理如图4所示。
该电池电容量大,能有效利用CO2,电池反应产物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。
电池的负极反应式:
________。
电池的正极反应式:
6O2+6e−
6O2−
6CO2+6O2−
3C2O42−
反应过程中O2的作用是________。
该电池的总反应式:
________。
【答案】CO32-10+120kJ·mol-1B900℃时,合成气产率已经较高,再升高温度
产率增幅不大,但能耗升高,经济效益降低。
Al–3e–=Al3+(或2Al–6e–=2Al3+)催化剂2Al+6CO2=Al2(C2O4)3
(2)①化学反应的焓变应该等于反应物键能减去生成物的键能,所以焓变为(4×413+2×745)-
(2×1075+2×436)=+120kJ·mol-1。
初始时容器A、B的压强相等,A容器恒容,随着反应的进行压强逐渐增大(气体物质的量增加);B容器恒压,压强不变;所以达平衡时压强一定是A中大,B中小,此反应压强减小平衡正向移动,所以B的反应平衡更靠右,反应的更多,吸热也更多。
②根据图3得到,900℃时反应产率已经比较高,温度再升高,反应产率的增大并不明显,而生产中的能耗和成本明显增大,经济效益会下降,所以选择900℃为反应最佳温度。
(3)明显电池的负极为Al,所以反应一定是Al失电子,该电解质为氯化铝离子液体,所以Al失电子应转化为Al3+,方程式为:
Al–3e–=Al3+(或2Al–6e–=2Al3+)。
根据电池的正极反应,氧气再第一步被消耗,又在第二步生成,所以氧气为正极反应的催化剂。
将方程式加和得到,总反应为:
2Al+6CO2=Al2(C2
O4)3。
3.(2018江苏)NOx(主要指NO和NO2)是大气主要污染物之一。
有效去除大气中的NOx是环境保护的重要课题。
(1)用水吸收NOx的相关热化学方程式如下:
2NO2(g)+H2O(l)
HNO3(aq)+HNO2(aq)ΔH=−116.1kJ·mol−1
3HNO2(aq)
HNO3(aq)+2NO(g)+H2O(l)ΔH=75.9kJ·mol−1
反应3NO2(g)+H2O(l)
2HNO3(aq)+NO(g)的ΔH=___________kJ·mol−1。
(2)用稀硝酸吸收NOx,得到HNO3和HNO2的混合溶液,电解该混合溶液可获得较浓的硝酸。
写出电解时
阳极的电极反应式:
____________________________________。
(3)用酸性(NH2)2CO水溶液吸收NOx,吸收过程中存在HNO2与(NH2)2CO生成N2和CO2的反应。
写出该反应的化学方程式:
____________________________________。
(4)在有氧条件下,新型催化剂M能催化NH3与NOx反应生成N2。
①NH3与NO2生成N2的反应中,当生成1molN2时,转移的电子数为__________mol。
②将一定比例的O2、NH3和NOx的混合气体,匀速通入装有催化剂M的反应器中反应(装置见题20图−1)。
反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如题20图−2所示,在50~250℃范围内随着温度的升高,NOx的去除率先迅速上升后上升缓慢的主要原因是____________________________;当反应温度高于380℃时,NOx的去除率迅速下降的原因可能是___________________________。
【答案】
(1)−136.2
(2)HNO2−2e−+H2O
3H++NO3−
(3)2HNO2+(NH2)2CO
2N2↑+CO2↑+3H2O
(4)①
②迅速上升段是催化剂活性随温度升高增大与温度升高共同使NOx去除反应速率迅速增大;上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大
催化剂活性下降;NH3与O2反应生成了NO
(2)根据电解原理,阳极发生失电子的氧化反应,阳极反应为HNO2失去电子生成HNO3,1molHNO2反应失去2mol电子,结合原子守恒和溶液呈酸性,电解时阳极电极反应式为HNO2-2e-+H2O=NO3-+3H+。
(3)HNO2与(NH2)2CO反应生成N2和CO2,N元素的化合价由HNO2中+3价降至0价,N元素的化合价由(NH2)2CO中-3价价升至0价,根据得失电子守恒和原子守恒,反应的化学方程式为
2HNO2+(NH2)2CO=2N2↑+CO2↑+3H2O。
(4)①NH3与NO2的反应为8NH3+6NO2
7N2+12H2O,该反应中NH3中-3价的N升至0价,NO2中+4价的N降至0价,生成7molN2转移24mol电子。
生成1molN2时转移电子数为
mol。
②因为反应时间相同,所以低温时主要考虑温度和催化剂对化学反应速率的影响;高温时NH3与O2发生催化氧化反应。
在50~250℃范围内,NOx的去除率迅速上升段是催化
剂活性随温度升高增大与温度升高共同使NOx去除反应速率迅速增大;上升缓慢段主要是温度升高引起的NOx去除反应速率增大,温度升高催化剂活性下降。
反应温度高于380℃时,NOx的去除率迅速下降的原因可能是NH3与O2反应生成了NO,反应的化学方程式为4NH3+5O2
4NO+6H2O。
二、考点突破
1、认识催化剂
典例1关于催化剂的理解中不正确的是
A.由催化剂反应前后质量不变知催化剂不参加化学反应
B.催化剂具有高度的选择性(即催化的专一性)
C.酶是生物体内的一类催化剂
D.催化剂在化学反应前后的化学性质、质量不变
【答案】A
2、催化剂的判断
典例2现有化学反应A(g)+B(g)=AB(g) ∆H(反应过程如曲线1所示),当反应体系中加入物质K后反应分两步进行(反应过程如曲线2所示):
①A(g)+K(g)=AK(g) ∆H1②AK(g)+B(g)=AB(g) +K(g) ∆H2,根据图像分析,下列说法正确的是
A.反应过程中AK(g)是催化剂B.加入催化剂会降低反应的∆H
C.∆H>0D.lmolA(g)和1molB(g)的总能量高于1molAB(g)的能量
【答案】D
【解析】分析:
A.根据催化剂催化原理判断;B.催化剂的作用是降低该反应发生所需要的活化能;C.根据图示判断∆H的大小;D.根据图示中反应物和生成物具有的能量判断。
详解:
根据①A(g)+K(g)=AK(g)和②AK(g)+B(g)=AB(g) +K(g)的反应,K是催化剂,AK(g)是催化剂的中间产物,所以A选项错误;催化剂的作用是降低该反应发生所需要的
活化能,但不能够改变化学反应的焓变,所以B选项错误;根据图示,反应物具有较高能量,生成物具有降低能量,该反应是放热反应,∆H<0,C选项不正确;从题干的图示观察得反应物A和B生成具有的总能量高于生成物AB的总能量,D正确。
3、催化剂加快化学反应速率
典例3下列关于催化剂的说法正确的是
A.使用催化剂可以增大正反应速率,减小逆反应速率
B.使用催化剂可以使化学平衡正向移动
C.使用催化剂可以降低反应的活化能
D.使用催化剂可以改变反应的平衡常数
【答案】C
4、催化剂不能影响化学平衡
典例4可逆反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g)的v-t图象如下右图,如若其它条件不变,只是在反应前加入合适的催化剂,则其v-t图象如图:
①a1>a2②a1<a2③b1>b2④b1<b2⑤t1>t2⑥t1=t2⑦两图中阴影部分面积相等⑧右图中阴影部分面积更大,以上说法中正确的是
A.②③⑤⑧B.①④⑥⑧C.②④⑤⑦D.①③⑥⑦
【答案】C
【解析】若其它条件不变,只是在反应前加入合适的催化剂,正逆反应速率均加快,缩小达到化学平衡的时间,阴影部分的面积为反应物浓度的变化量,平衡状态没有改变,则阴影部分面积相同。
可逆反应mA(g)+nB(g)
pC(g)+qD(g)的v-t图象如图,如若其它条件不变,只是在反应前加入合适的催化剂,a1、a2为两种条件下正反应速率,催化剂加快反应速率,则a1<a2;使用催化剂缩小达到化学平衡的时间,则加催化剂时达到平衡的反应速率大,所以b1<b2;使用催化剂缩小达到化学平衡的时间,则t1>t2;阴影部分的面积为反应物浓度的变化量,平衡状态没有改
变,则阴影部分面积相同;综上所述②④⑤⑦说法正确,故C正确。
5、催化剂不影响反应热
典例5下列关于热化学反应的描述中正确的是()
A.HCl和NaOH反应的中和热△H=-57.3kJ·mol-1,则1mol硫酸与足量氢氧化钡溶液反应放热为114.6kJ
B.H2(g)的燃烧热是285.8kJ·mol-1,则2H2O
(1)=2H2(g)+O2(g)反应的△H=+571.6kJ·mol-1
C.反应物的热效应与是否使用催化剂有关
D.500℃、30MPa下,将0.5molN2和1.5molH2置于密闭的容器中充分反应生成NH3(g),放热19.3kJ,其热化学方程式为:
N2(g)+3H2(g)⇌2NH3(g)△H=-38.6kJ·mol-1
【答案】B
6、催化剂与活化能的关系
典例6某化学反应的能量变化如右图所示。
下列有关叙述正确的是
A.该反应的反应热ΔH=E1-E2
B.
a、b分别对应有催化剂和无催化剂的能量变化
C.催化剂能降低反应的活化能
D.催化剂能改变反应的焓变
【答案】C
【解析】A、焓变△H=产物的总焓-反应物的总焓=△H=E2-E1,故A错误;B、催化剂会降低反应的活化能,
a、b分别对应无催化剂和有催化剂的能量变化,故B错误;C、催化剂能降低反应的活化能,从而加快化学反应速率,故C正确;D、加入催化剂不会改变化学反应的焓变,故D错误。
7、催化剂的选择
典例7氨催化分解既可防治氨气污染,又能得到氢能源,得到广泛研究。
(1)已知:
①反应I:
4NH3(g)+3O2(g)
2N2(g)+6H2O(g) ΔH1=-1266.6kJ·mol-1,
②H2的燃烧热ΔH2=-285.8kJ.mol-1
③水的气化时ΔH3=+44.0kJ.mol-1
反应I热力学趋势很大(平衡常数很大)的原因为______________________________;NH3分解的热化学方程式________________________________。
(2)在Co-Al催
化剂体系中,压强P0下氨气以一定流速通过反应器,得到不同催化剂下氨气转化率随温度变化曲线如下图,活化能最小的催化剂为_______,温度高时NH3的转化率接近平衡转化率的原因
_______________。
如果增大气体流速,则b点对应的点可能为______(填“a”、“c”、“d”、“e”或“f”);
(3)温度为T时,体积为1L的密闭容器中加入0.8molNH3和0.1molH2,30min达到平衡时,N2体积分数为20%,则T时平衡常数K=______,NH3分解率为_____;达到平衡后再加入0.8molNH3和0.1molH2,NH3的转化率________(填“增大”、“不变”、“减小”)。
(4)以KNH2为电解质溶液电解NH3,其工作原理如下图所示,则阳极电极反应为_________。
【答案】放热量很大的反应2NH3(g)
N2(g)+3H2(g)△H=+92.1k
J·mol-190CoAl平衡转化率随温度升高而增大,此反应为吸热反应,温度升高,反应速率加快,转化率接近平衡转化率e7.575%减小
6NH2--6e-=N2↑+4NH3↑
【解析】
(1)反应I的ΔH1=-1266.6kJ·mol-1,放热量很大,故热力学趋势很大;根据盖斯定律可知①:
4NH3(g)+3O2(g)
2N2(g)+6H2O(g) ΔH1=-1266.6kJ·mol-1,②
H2的燃烧热H2(g)+1/2O2(g)=H2O
(l)ΔH2=-285.8kJ.mol-1③水的气化时H2O(l)=H2O(g)ΔH3=+44.0kJ.mol-1,④2NH3(g)
N2(g)+3H2(g)△H,根据盖斯定律可知④=1/2[①-6(②+③)],即△H=1/2[-1266.6kJ·mol-1-6(-285.8kJ.mol-1+44.0kJ.mol-1)]=92.1kJ·mol-1,所以2NH3(g)
N2(g)+3H2(g)△H=+92.1kJ·mol-1;
(3)由题给数据可知,设氮气平衡时氮气的物质的量为xmol
,则:
2NH3(g)
N2(g)+3H2(g)
初始量(mol) 0.8 0 0.1
变化量(mol)2xx3x
平衡量(mol)0.8-2x x 0.1+3x
相同条件下气体的物质的量之比等于体积之比,所以达到平衡时N2的体积分数为:
,解得:
x=0.3mol,故平衡常数K=
,NH3分解率为
,达到平衡后再加入0.8molNH3和0.1molH2,容器中压强增大,反应向逆向移动,所以氨气的转化率减小;
(4)在电解池中,阳极失去电子,发生氧化反应,根据图示可知右侧为阳极,电极反应为:
6NH2--6e-=N2↑+4NH3↑。
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