专题3.7 高考中催化剂与活化能的考查方式-备战2023年高考化学新编大一轮复习讲义·

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专题3.7 高考中催化剂与活化能的考查方式
【考纲要求】
1、了解反应活化能的概念，了解催化剂的重要作用。
2、知道化学反应是有历程的，认识基元反应活化能对化学反应速率的影响；知道催化剂可以改变反应历程，对调控化学反应速率具有重要意义。
考点一 基元反应和有效碰撞理论
【核心知识梳理】
1、基元反应：大多数化学反应往往经过多个反应步骤才能实现，每一步反应都被称为基元反应；先后进行的基元反应反映了反应历程，反应历程又称为反应机理。
2、有效碰撞
①基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生碰撞。
②反应物分子的每一次碰撞并不是都能发生反应，能够发生化学反应的碰撞叫作有效碰撞。发生有效碰撞的两个条件是反应物分子能量足够和取向合适。
3、活化分子 活化能
①活化分子：能够发生有效碰撞的分子。
②活化能：如图

图中：E1为正反应的活化能，使用催化剂时的活化能为，反应热为E1－E2。
4、活化分子、有效碰撞与反应速率的关系

【精准训练1】
1、下列说法正确的是(　　)
A．活化分子的每一次碰撞都能发生化学反应
B．能发生有效碰撞的分子一定是活化分子
C．反应物用量增加后，有效碰撞次数增多，反应速率增大
D．催化剂能提高活化分子的活化能，从而加快反应速率
2、已知反应：2NO(g)＋Br2(g)2NOBr(g) △H＝－akJ·mol-1（a＞0），其反应机理是
① NO(g)＋Br2 (g)NOBr2(g) 快 ②NOBr2(g)＋NO(g)2NOBr(g) 慢
下列有关该反应的说法正确的是
A. 该反应的速率主要取决于①的快慢
B. NOBr2是该反应的催化剂
C. 增大Br2 (g)的浓度能增大活化分子百分数，加快反应速率
D. 总反应中生成物的总键能比反应物的总键能大akJ·mol-1
3、已知反应：2NO(g)＋Br2(g)2NOBr(g) △H =－a kJ·mol－1 (a > 0)，其反应机理如下：①NO(g)＋Br2(g)NOBr2 (g)快②NO(g)＋NOBr2(g)2NOBr(g)慢,下列有关该反应的说法正确的是 ( )
A. 该反应的速率主要取决于①的快慢
B. NOBr2是该反应催化剂
C. 正反应的活化能比逆反应的活化能小a kJ·mol－1
D. 增大Br2 (g)浓度能增大单位体积内活化分子百分数，加快反应速率
4、硝酸盐污染已成为一个日益严重的环境问题。甲酸(HCOOH)在纳米级Pd表面分解为活性H2和CO2，再经下列历程实现NO的催化还原，进而减少污染。已知Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅲ)表示Fe3O4中的二价铁和三价铁。下列说法错误的是(　　)

A．Fe3O4参与了该循环历程
B．HCOOH分解时，碳氢键和氧氢键发生了断裂
C．H2在反应历程中生成的H＋起到调节体系pH的作用
D．在整个历程中，1 mol H2可还原1 mol NO
5、过渡态理论认为：化学反应不是通过反应物分子的简单碰撞完成的。在反应物分子生成产物分子的过程中，首先生成一种高能量的活化配合物，高能量的活化配合物再进一步转化为产物分子。按照过渡态理论，NO2(g)＋CO(g)===CO2(g)＋NO(g)的反应历程如下：
第一步：＋C—O―→(慢反应)
第二步：―→N—O＋O—C—O(快反应)
下列有关说法正确的是(　　)
A．第二步活化配合物之间的碰撞一定是有效碰撞
B．活化配合物的能量越高，第一步的反应速率越快
C．第一步反应需要吸收能量
D．该反应的反应速率主要取决于第二步反应
考点二 反应机理在图像分析
【核心知识梳理】
1、基元反应过渡状态理论
基元反应过渡状态理论认为，基元反应在从反应物到生成物的变化过程中要经历一个中间状态，这个状态称为过渡态。
AB＋C―→[A…B…C]―→A＋BC
反应物　　　过渡态　　 　生成物
过渡态是处在反应过程中具有最高能量的一种分子构型，过渡态能量与反应物的平均能量的差值相当于活化能[活化能(能垒)越高，此步基元反应速率越慢]。例如，一溴甲烷与NaOH溶液反应的过程可以表示为CH3Br＋OH－―→[Br…CH3…OH]―→Br－＋CH3OH

2、活化能与反应机理
使用催化剂，可以改变活化能，改变反应机理，在反应机理中每一步反应的活化能不同，且均比总反应的活化能低，故一般使用催化剂可以降低反应活化能，加快反应速率，如图所示：

E1为总反应的活化能，E2、E3为使用催化剂反应机理中各步的活化能。
3、常见图像的解读
图像
解读

(1)在无催化剂的情况下：E1为正反应的活化能；E2为逆反应的活化能；E1－E2为此反应的焓变(ΔH)。
(2)有催化剂时，总反应分成了两个反应步骤，反应①为吸热反应，产物为总反应的中间产物，反应②为放热反应，总反应为放热反应。
(3)催化剂的作用：降低E1、E2，但不影响ΔH，反应是放热反应还是吸热反应取决于起点(反应物)能量和终点(生成物)能量的相对大小

对于“环式”反应过程图像，位于“环上”的物质一般是催化剂或中间体，如⑤、⑥、⑦和⑧，“入环”的物质为反应物，如①和④，“出环”的物质为生成物，如②和③
【精准训练1】
1、2021年中国科学院和中国工程院评选出2020年世界十大科技进展，排在第四位的是一种可借助光将二氧化碳转化为甲烷的新型催化转化方法：CO2＋4H2===CH4＋2H2O，这是迄今最接近人造光合作用的方法，CO2加氢制CH4的一种催化机理如图。下列说法正确的是( )

A．反应中La2O3是中间产物
B．CO2转化为CH4利用了CO2的氧化性
C．H2经过Ni活性中心裂解产生带负电荷的H
D．使用催化剂可以降低反应的焓变，从而提高化学反应速率
2、甲酸脱氢可以生成二氧化碳，我国科学家利用计算机技术，研究在催化剂表面脱氢的反应历程与能量的关系如图所示。

下列说法正确的是( )
A．甲酸脱氢生成二氧化碳为吸热反应
B．历程中最大能垒(反应活化能)为44.7 kcal·mol－1
C．反应CO2(g)＋2H*===CO2(g)＋H2(g) ΔH＝＋3.3 kcal·mol－1
D．使用催化剂能够加快反应速率，降低焓变，提高平衡产率
3、研究表明N2O与CO在Fe＋作用下发生可逆反应的能量变化及反应历程如图所示。下列说法不正确的是( )

A．反应中Fe＋是催化剂，FeO＋是中间产物
B．总反应速率由反应②的速率决定
C．升高温度，总反应的平衡常数K减小
D．当有14 g N2生成时，转移1 mol e－
4、在含Fe3＋的S2O和I－的混合溶液中，反应S2O(aq)＋2I－(aq)===2SO(aq)＋I2(aq)的分解机理及反应过程中的能量变化如下：
步骤①：2Fe3＋(aq)＋2I－(aq)===I2(aq)＋2Fe2＋(aq)
步骤②：2Fe2＋(aq)＋S2O(aq)===2Fe3＋(aq)＋2SO(aq)

下列有关该反应的说法正确的是(　　)
A．化学反应速率与Fe3＋浓度的大小有关
B．该反应为吸热反应
C．Fe2＋是该反应的催化剂
D．若不加Fe3＋，则正反应的活化能比逆反应的大
5、甲酸常被用于橡胶、医药等工业。在一定条件下可分解生成CO和H2O。在有、无催化剂条件下的能量与反应历程的关系如图所示。下列说法错误的是(　　)

A．途径一未使用催化剂，途径二比途径一甲酸平衡转化率高
B．ΔH1＝ΔH2<0，Ea1>Ea2
C．途径二H＋参与反应，通过改变反应途径加快反应速率
D．途径二反应的快慢由生成的速率决定

【真题感悟】
1、(2021·山东高考)18O标记的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中发生水解，部分反应历程可表示为 能量变化如图所示。已知为快速平衡，下列说法正确的是(　　)

A．反应Ⅱ、Ⅲ为决速步
B．反应结束后，溶液中存在18OH－
C．反应结束后，溶液中存在CHOH
D．反应Ⅰ与反应Ⅳ活化能的差值等于图示总反应的焓变
2、(2020·全国Ⅰ卷)铑的配合物离子[Rh(CO)2I2]－可催化甲醇羰基化，反应过程如图所示。

下列叙述错误的是(　　)
A．CH3COI是反应中间体
B．甲醇羰基化反应为CH3OH＋CO===CH3CO2H
C．反应过程中Rh的成键数目保持不变
D．存在反应CH3OH＋HI===CH3I＋H2O
3、(2021·广东高考)反应X===2Z经历两步：①X→Y；②Y→2Z。反应体系中X、Y、Z的浓度c随时间t的变化曲线如图所示。下列说法不正确的是(　　)

A．a为c(X)随t的变化曲线
B．t1时，c(X)＝c(Y)＝c(Z)
C．t2时，Y的消耗速率大于生成速率
D．t3后，c(Z)＝2c0－c(Y)
4、（双选）（2020山东）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
5、(2021·湖南，14)铁的配合物离子(用[L­Fe­H]＋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HCOOHCO2↑＋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
6、[2019·全国卷Ⅰ，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*标注。

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：____________________________________。
【课时达标训练】
1、2SO2(g)＋O2(g)2SO3(g) ΔH＝－198 kJ·mol－1，在V2O5存在时，该反应的机理为V2O5＋SO2―→2VO2＋SO3(快)，4VO2＋O2―→2V2O5(慢)。下列说法正确的是(　　)
A．反应速率主要取决于V2O5的质量
B．VO2是该反应的催化剂
C．逆反应的活化能大于198 kJ·mol－1
D．增大SO2的浓度可显著提高反应速率
2、某反应由两步反应A→B→C构成，它的反应能量曲线如图所示，下列叙述正确的是(　　)

A．两步反应均为吸热反应
B．三种化合物中C最稳定
C．第二步反应决定了总反应的速率
D．升高温度，活化能E1、E2均减小，反应速率加快
3、知反应2NO(g)＋2H2(g)N2(g)＋2H2O(g) ΔH＝－752 kJ·mol－1的反应机理如下：
①2NO(g)N2O2(g)　(快)
②N2O2(g)＋H2(g)N2O(g)＋H2O(g)　(慢)
③N2O(g)＋H2(g)N2(g)＋H2O(g)　(快)
下列有关说法错误的是(　　)
A．①的逆反应速率大于②的正反应速率
B．②中N2O2与H2的碰撞仅部分有效
C．N2O2和N2O是该反应的催化剂
D．总反应中逆反应的活化能比正反应的活化能大
4、有研究认为，强碱性溶液中反应I－＋ClO－===IO－＋Cl－分三步进行，其中两步如下：
第一步　ClO－＋H2O―→HOCl＋OH－ K1＝3.3×10－10
第三步　HOI＋OH－―→IO－＋H2O K3＝2.3×103
下列说法错误的是(　　)
A．反应第二步为HOCl＋I－―→HOI＋Cl－
B．由K可判断反应第三步比第一步快
C．升高温度可以加快ClO－的水解
D．HOCl和HOI都是弱酸
5、苯乙烯与溴苯在一定条件下发生Heck反应：

溴苯用
量/mmol
100
100
100
100
100
100
100
催化剂用
量/mmol
2
2
2
2
2
2
2
反应温
度/℃
100
100
100
100
120
140
160
反应时
间/h
10
12
14
16
14
14
14
产率/%
81.2
84.4
86.6
86.2
93.5
96.6
89.0
根据上表数据，下列说法正确的是(　　)
A．最佳反应温度为100 ℃
B．最佳反应时间为16 h
C．温度过高时催化剂活性可能降低
D．反应产物是顺式结构
6、一定压强下，向10 L密闭容器中充入1 mol S2Cl2(g)和1 mol Cl2，发生反应：S2Cl2(g)＋Cl2(g)2SCl2(g)。Cl2和SCl2的消耗速率(v)与温度(T)的关系如图所示，以下说法中错误的是(　　)

A．A、B、C、D四点对应状态下，达到平衡状态的是B、D
B．正反应的活化能大于逆反应的活化能
C．达到平衡后再加热，平衡向逆反应方向移动
D．在300 ℃下，达到平衡后缩小容器容积，重新达到平衡后，Cl2的平衡转化率不变
7、某小组探究实验条件对反应速率的影响，设计如下实验，并记录结果如下：
编号
①
②
③
④
温度/℃
20
20
50
80
10 mL H2SO4溶液浓度/(mol·L－1)
0.10
0.10
0.10
0.10
5 mL KI溶液浓度/(mol·L－1)
0.40
0.80
0.40
0.40
1%淀粉溶液体积/mL
1
1
1
1
出现蓝色时间/s
40
21
5
未见蓝色
下列说法正确的是(　　)
A．由实验①②可知，反应速率v与c(I－)成正比
B．实验①～④中，应将H2SO4溶液与淀粉溶液先混合
C．在I－被O2氧化过程中，H＋只是降低活化能
D．由实验③④可知，温度越高，反应速率越慢
8、我国科研人员提出了由CO2和CH4转化为高附加值产品CH3COOH的催化反应历程。该历程示意图如下。

下列说法不正确的是( )
A．生成CH3COOH总反应的原子利用率为100%
B．CH4→CH3COOH过程中，有C—H发生断裂
C．①→②放出能量并形成了C—C
D．该催化剂可有效提高反应物的平衡转化率
9、已知：2H2O(l)===2H2(g)＋O2(g)　ΔH＝＋571.0 kJ·mol－1。以太阳能为热源分解Fe3O4，经热化学铁氧化合物循环分解水制H2的过程如下：

过程Ⅰ：2Fe3O4(s)===6FeO(s)＋O2(g)　ΔH＝＋313.2 kJ·mol－1
过程Ⅱ：……
下列说法不正确的是(　　)
A．过程Ⅰ中每消耗232 g Fe3O4转移1 mol电子
B．过程Ⅱ的热化学方程式为3FeO(s)＋H2O(l)===H2(g)＋Fe3O4(s)　ΔH＝＋128.9 kJ·mol－1
C．过程Ⅰ、Ⅱ中能量转化的形式依次是太阳能→化学能→热能
D．铁氧化合物循环制H2具有成本低、产物易分离等优点
10、据文献报道，金红石Ti3＋L3表面催化氮气固定机理如图所示，下列叙述错误的是(　　)

A．催化剂可以提高固氮速率的原因是改变该反应的ΔH
B．该催化固氮总反应为3H2＋N2===2NH3
C．是反应中间体
D．整个催化过程中存在 N—Ti的断裂和生成
11、1889年，阿伦尼乌斯提出了反应速率常数与温度间关系的经验公式：ln k＝ln A－(k为反应速率常数，R为摩尔气体常量，T为热力学温度，Ea为活化能，A为比例系数)，该公式可以用于计算基元反应(指在反应中一步直接转化为产物的反应)的活化能。下图是三个不同的基元反应的ln k随变化的曲线图。下列关于上述基元反应的说法中错误的是(　　)

A．活化能由大到小的顺序是Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ
B．一定温度下，活化能小的反应，化学反应速率大
C．对于不同反应，温度升高时活化能大的反应速率变化大
D．对于同一反应，反应速率随温度的升高而增大
12、Shyam Kattle等结合实验与计算机模拟结果，研究了在Pt/SiO2催化剂表面上CO2与H2的反应历程，前三步历程如图所示，吸附在Pt/SiO2催化剂表面上的物种用“·”标注，Ts表示过渡态。下列有关说法错误的是(　　)

A．物质被吸附在催化剂表面形成过渡态的过程是吸热的
B．形成过渡态Ts1的活化能为1.05 eV
C．前三步总反应的ΔH＜0
D．反应历程中能量变化最大的反应方程式为·HOCO＋H2(g)===·CO＋·OH＋H2(g)
13、我国科学家实现了在铜催化剂条件下将DMF[(CH3)2NCHO]转化为三甲胺[N(CH3)3]。计算机模拟单个DMF分子在铜催化剂表面的反应历程如图所示，下列说法正确的是(　　)

A．该历程中最小能垒的化学方程式为 (CH3)2NCH2OH*===(CH3)2NCH2＋OH*
B．该历程中最大能垒(活化能)为2.16 eV
C．该反应的热化学方程式为(CH3)2NCHO(g)＋2H2(g)===N(CH3)3(g)＋H2O(g)　ΔH＝
－1.02 eV·mol－1
D．增大压强或升高温度均能加快反应速率，并增大DMF的平衡转化率
14、(1)在2L密闭容器中通入3molH2和1molN2,测得不同温度下，NH3的产率随时间变化如图所示。

①T1温度时,0～15 min内v(H2)= mol·L-1·min-1。
②已知:瞬时速率表达式v正=k正c3(H2)c(N2)，v逆=k逆c2(NH3)(k为速率常数，只与温度有关)。温度由T1调到T2，活化分子百分率 (填“大于”“小于”或“等于”)，k正增大倍数(填“大于”“小于”或“等于”)k逆增大倍数。T1℃时，k正/k逆= 。
(2)已知在一定温度下的可逆反应N2O4(g)2NO2(g)中，v正=
k正c(N2O4)，v逆=k逆c2(NO2)(k正、k逆只是温度的函数)。若该温度下的平衡常数K=10，则k正= k逆。升高温度，k正增大的倍数 (填“大于”“小于”或“等于”)k逆增大的倍数。
(3)实验测得反应2NO(g)+O2(g)2NO2(g) ΔH<0的即时速率满足以下关系式：v正=k正·c2(NO)·c(O2)，v逆=k逆·c2(NO2)，k正、k逆为速率常数，受温度影响。
①温度为T1时，在1L的恒容密闭容器中，投入0.6 mol NO和0.3molO2达到平衡时O2为0.2mol，温度为T2时，该反应存在k正=k逆，则
T1 (填“大于”“小于”或“等于”)T2。
②研究发现该反应按如下步骤进行：
第一步：NO+NON2O2 快速平衡
第二步：N2O2+O22NO2 慢反应
其中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡，第一步反应中:
v1正=k1正c2(NO)，v1逆=k1逆c(N2O2)。
下列叙述正确的是 。(填字母)
A.同一温度下，平衡时第一步反应的k1正/k1逆越大反应正向程度越大
B.第二步反应速率低，因而转化率也低
C.第二步的活化能比第一步的活化能低
D.整个反应的速率由第二步反应速率决定
15、温室气体让地球发烧，倡导低碳生活，是一种可持续发展的环保责任，将CO2应用于生产中实现其综合利用是目前的研究热点。
Ⅰ.在催化作用下由CO2和CH4转化为CH3COOH的反应历程示意图如图。

在合成CH3COOH的反应历程中，下列有关说法正确的是________(填字母)。
a．该催化剂使反应的平衡常数增大
b．CH4―→CH3COOH过程中，有C—H键断裂和C—C键形成
c．生成乙酸的反应原子利用率100%
d．ΔH＝E2－E1
Ⅱ.以CO2、C2H6为原料合成C2H4涉及的主要反应如下：
CO2(g)＋C2H6(g)C2H4(g)＋H2O(g)＋CO(g)　ΔH＝＋177 kJ·mol－1(主反应)
C2H6(g)CH4(g)＋H2(g)＋C(s)
ΔH＝＋9 kJ·mol－1(副反应)
(1)主反应的反应历程可分为如下两步，反应过程中能量变化如图1所示：

ⅰ.C2H6(g)C2H4(g)＋H2(g)
ΔH1＝＋136 kJ·mol－1
ⅱ.H2(g)＋CO2(g)H2O(g)＋CO(g)　ΔH2
ΔH2＝________，主反应的决速步骤为________(填“反应ⅰ”或“反应ⅱ”)。
(2)向恒压密闭容器中充入CO2和C2H6，温度对催化剂K­Fe­Mn/Si­2性能的影响如图2所示，工业生产中主反应应选择的温度是________________。

(3)在一定温度下的密闭容器中充入一定量的CO2和C2H6，固定时间测定不同压强下C2H4的产率如图3所示，p1压强下a点反应速率：v(正)________v(逆)。

(4)某温度下，在0.1 MPa恒压密闭容器中充入等物质的量的CO2和C2H4，只发生主反应，达到平衡时C2H4的物质的量分数为20%，该温度下反应的平衡常数Kp＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。
16、氮的氧化物是造成大气污染的主要物质。研究它们的反应机理，对于消除环境污染有重要意义。
(1)在一定条件下，向某2 L密闭容器中分别投入一定量的NH3、NO发生反应：4NH3(g)＋6NO(g)5N2(g)＋6H2O(g)，其他条件相同时，在甲、乙两种催化剂的作用下，NO的转化率与温度的关系如图所示。

①工业上应选择催化剂________(填“甲”或“乙”)。
②M点是否为对应温度下NO的平衡转化率，判断理由是______________________。温度高于210 ℃时，NO转化率降低的原因可能是___________________________________。
(2)已知：NO2(g)＋SO2(g)NO(g)＋SO3(g)　ΔH<0。向密闭容器中充入等体积的NO2和SO2，测得平衡状态时压强对数lg p(NO2)和lg p(SO3)的关系如图所示。

①a、b两点体系总压强pa与pb的比值＝__________。
②温度为T2时化学平衡常数Kp＝________，T1________T2(填“>”“<”或“＝”)。