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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−1C(s)+O2(g)=CO2(g)ΔH=-394kJ·mol−1C(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)75172活化能/(kJ·mol−1)催化剂X3391催化剂Y4372①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−1②C(s)+O2(g)=CO2(g)ΔH=-394kJ·mol−1③C(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）CO2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—HC=OH—HCO(CO)键能/kJ·mol−14137454361075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(C2O4)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−13HNO2（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−+H2O3H++NO3−（3）2HNO2+(NH2)2CO2N2↑+CO2↑+3H2O（4）①②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+6NO27N2+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+5O24NO+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】A2、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∆HC．∆H0D．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，∆H0，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】C4、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