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第10讲
催化剂与反应原理
2024高考化学试题评析及教学启示
contents
目录
01
命题特点
01
02
03
经典重现
模型建构
04
教学启示
命题特点
PART 01
01
研究命题特点，把握命题方向
高考评价体系的内在逻辑和总体特征可以从“核心价值金线”“能力素养银线”和“情境载体串联线”三条线索进行理解和把握，其中“核心价值金线”贯串高考命题和评价的始终，“能力素养银线”成为高考命题和考查的重心，情境作为考查载体，是“金线”和“银线”的串联线。
第一，“核心价值金线”是指围绕立德树人来考查学生的政治立场和思维观念、世界观和方法论以及道德品质。
第二，“能力素养银线”主要考查学生的学习掌握、实践探索以及思维方法等方面的能力。
第三，“情境载体串联线”是指通过设计生活实践情境和学习探索情境，将其作为任务创设和基本知识能力运用考查的载体，实现对学生学科基本概念、原理、技能和思维方法的考查和选拔，着重考查学生运用所学知识、原理和思维方法发现问题、解决现实问题的能力。
高考评价体系的命题理念
（2024河北T14）我国科技工作者设计了如图所示的可充电 Mg-CO2电池，以Mg(TFSI)2为电解质，电解液中加入1, 3-丙二胺(PDA)以捕获CO2，使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放 CO2能力差的障碍，同时改善了Mg2+的溶剂化环境，提高了电池充放电循环性能。
研究命题特点，把握命题方向
真实情境
研究命题特点，把握命题方向
真实情境
（2024江苏T17） 氢能是理想清洁能源，氢能产业链由制氢、储氢和用氢组成。
②使用含氨基物质(化学式为CN-NH2，CN是一种碳衍生材料)联合Pd-Au催化剂储氢，可能机理如图所示。氨基能将 控制在催化剂表面，其原理是_______；用重氢气(D2)代替H2，通过检测是否存在_______(填化学式)确认反应过程中的加氢方式。
2024
甲卷T28
研究命题特点，把握命题方向
核心素养
宏观辨识与微观探析
2024
江苏
T17
证据推理与模型认知
变化观念与平衡思想
2024
甲卷T28
2024
贵州T14
研究命题特点，把握命题方向
热力学基础
动力学基础
化学反应历程
活化分子理论
过渡态理 论
化学反应速率
化学反应机理
平衡移动
平衡常数
简单反应
复杂反应
基元反应
平行反应
连续反应
物质变化
能量变化
基础性
综合性
应用性
创新性
必备知识
关键能力
研究命题特点，把握命题方向
卷别 题型 呈现形式 考点分布
物质变化 反应机理 催化剂 焓变 化学平衡 活化能 速率比较 决速步骤 选择性
江苏卷T5 选择题 文字叙述 √ √ √ √ √
甘肃卷T10 选择题 能量变化图 √ √ √ √
广东卷T15 选择题 能量变化图 √ √ √ √ √ √ √
安徽卷T10 选择题 能量变化图 √ √ √ √
北京卷T13 选择题 能量变化图 √ √ √ √
河北卷T14 选择题 循环机理图 能量变化图 √ √ √
贵州卷T14 选择题 能量变化图 √ √ √ √
北京卷T10 选择题 循环机理图 √ √ √ √
江苏卷T17 主观题 循环机理图 √ √ √
甲卷T28 主观题 文字叙述 √ √ √
安徽卷T17 主观题 文字叙述 √ √
贵州卷T17 主观题 文字叙述 √ √ √ √ √
经典重现
PART 02
02
【例1】（2024江苏T5）催化剂能改变化学反应速率而不改变反应的焓变，常见倠化剂有金属及其氧化物、酸和碱等。倠化反应广泛存在，如豆科植物固氮、石墨制金刚石、CO2和H2制CH3OCH3 (二甲醚)、V2O5倠化氧化SO2等。催化剂有选择性，如C2H4与O2反应用Ag催化生成环氧乙烷、用CuCl2/PdCl2催化生成CH3CHO。催化作用能消除污染和影响环境，如汽车尾气处理、废水中NO3-电倠化生成N2、氯自由基催化O3分解形成臭氧空洞。我国在石油催化领域领先世界，高效、经济、绿色是未来催化剂研究的发展方向。
下列说法正确的是
A. 豆科植物固氮过程中，固氮酶能提高该反应的活化能
B. C2H4与O2反应中，Ag催化能提高生成CH3CHO的选择性
C. H2O2制O2反应中，MnO2能加快化学反应速率
D. SO2与O2反应中，V2O5能减小该反应的焓变
重温经典，感悟高考
催化剂的性质特点
C
改变反应路径
选择性、高效性
【例2】 （2024甘肃T10）甲烷在某含Mo催化剂作用下部分反应的能量变化如图所示，下列说法错误的是
重温经典，感悟高考
A. E2=1.41eV
B. 步骤2逆向反应的 H =+0.29eV
C. 步骤1的反应比步骤2快
D. 该过程实现了甲烷的氧化
0.70eV-（-0.71eV）=1.41eV
-0.71eV-（-1.00eV）=+0.29eV
CH4→ CH3OH
-2
-4
C
活化能与反应速率
【例3】（2024贵州T14）AgCN与CH3CH2Br可发生取代反应，反应过程中CN-的C原子和N原子均可进攻CH3CH2Br，分别生成腈 (CH3CH2CN)和异腈(CH3CH2NC)两种产物。通过量子化学计算得到的反应历程及能量变化如图(TS为过渡态，Ⅰ、Ⅱ为后续物)。
重温经典，感悟高考
由图示信息，下列说法错误的是
A. 从CH3CH2Br生成CH3CH2CN和CH3CH2NC的反应都是放热反应
B. 过渡态TS1是由CN-的C原子进攻CH3CH2Br的α—C而形成的
C. Ⅰ中“N—Ag”之间的作用力比Ⅱ中“C—Ag”之间的作用力弱
D. 生成CH3CH2CN放热更多，低温时CH3CH2CN是主要产物
H<0
中间产物I断键所需能量少
D
活化能与反应机理
【例4】（2024广东T15）对反应S(g) T(g) (I为中间产物)，相同条件下：①加入催化剂，反应达到平衡所需时间大幅缩短；②提高反应温度，c平(S)/ c平(T)增大，c平(S)/ c平(I)减小。基于以上事实，可能的反应历程示意图(——为无催化剂，------为有催化剂)为
重温经典，感悟高考
活化能与反应速率
S(g) T(g)
S(g) I(g)
I(g) T(g)
T↑，逆向移动， H<0
H2<0
H1>0
A
【例5】（2024安徽T10）某温度下，在密闭容器中充入一定量的X(g)，发生下列反应：X(g) Y(g) (ΔH1<0)，Y(g) Z(g)(ΔH2<0)，测得各气体浓度与反应时间的关系如图所示。下列反应进程示意图符合题意的是
重温经典，感悟高考
活化能与反应速率
X(g) Y(g) (ΔH1<0)
Y(g) Z(g) (ΔH2<0)
v1>v2
B
(2023·浙江6月选考，14)一定条件下，1-苯基丙炔(Ph－C≡C－CH3)可与HCl发生催化加成，反应如下：
反应过程中该炔烃及反应产物的占比随时间的变化如图(已知：反应Ⅰ、Ⅲ为放热反应)。
重温经典，感悟高考
下列说法不正确的是
A.反应焓变：反应Ⅰ>反应Ⅱ
B.反应活化能：反应Ⅰ<反应Ⅱ
C.增加HCl浓度可增加平衡时产物Ⅱ和产物Ⅰ的比例
D.选择相对较短的反应时间，及时分离可获得高产率的产物Ⅰ
ΔH1<0
ΔH3<0
ΔH2=ΔH1+ΔH3<0
ΔH2<ΔH1
v1>v2
动力学产物
热力学产物
C
【例6】 （2024河北T14）我国科技工作者设计了如图所示的可充电 Mg-CO2电池，以Mg(TFSI)2为电解质，电解液中加入1, 3-丙二胺(PDA)以捕获CO2，使放电时CO2还原产物为MgC2O4。该设计克服了MgCO3导电性差和释放 CO2能力差的障碍，同时改善了Mg2+的溶剂化环境，提高了电池充放电循环性能。
重温经典，感悟高考
对上述电池放电时CO2的捕获和转化过程开展了进一步研究，电极上CO2转化的三种可能反应路径及相对能最变化如图(*表示吸附态)。 下列说法错误的是（ ）
A. PDA捕获CO2的反应为
B. 路径2是优先路径，速控步骤反应式为
C. 路径1、3经历不同的反应步骤但产物相同；路径2、3起始物相同但产物不同
D. 三个路径速控步骤均涉及*转化，路径2、3的速控步骤均伴有PDA再生
正极
（2021河北卷16）（4）我国科学家研究了Li-CO2电池取得了重大科研成果。回答下列问题：
①Li-CO2电池中锂为单质锂片，则该电池中的CO2在 （填“正”或“负”）极发生电化学反应。研究表明，该电池的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
重温经典，感悟高考
总：4Li+3CO2=2Li2CO3+C
正
CO2+2CO22- = 2CO32- + C
负：4Li-4e- = 4Li+
正：3CO2+4e- = 2CO32- + C
CO2+2e- = CO22-
反应机理
②研究表明，在电解质水溶液中，CO2气体可被电化学还原。在电解质水溶液中，三种不同的催化剂（a、b、c）上CO2电还原为CO的反应进行进程中（H+电还原为H2的反应可同时发生），相对能量变化如图。由此判断二氧化碳电还原为CO从易到难的顺序为 （用a、b、c字母排序）。
重温经典，感悟高考
0.74
0.46
0.51
0.60
0.27
0.22
c、a、b
a：b：c=
A. PDA捕获CO2的反应为
B. 路径2是优先路径，速控步骤反应式为
C. 路径1、3经历不同的反应步骤但产物相同；路径2、3起始物相同但产物不同
D. 三个路径速控步骤均涉及*转化，路径2、3的速控步骤均伴有PDA再生
【例6】 （2024河北T14）对上述电池放电时CO2的捕获和转化过程开展了进一步研究，电极上CO2转化的三种可能反应路径及相对能最变化如图(*表示吸附态)。 下列说法错误的是（ ）
重温经典，感悟高考
CO2
CO2
无PDA
D
催化剂与反应机理
【例7】（2024北京T10）可采用Deacon催化氧化法将工业副产物HCl制成Cl2，实现氯资源的再利用。反应的热化学方程式：4HCl(g)+ O2(g) 2Cl2(g)+ 2H2O(g) H= -114.4kJ·mol-1。下图所示为该法的一种催化机理。
重温经典，感悟高考
下列说法不正确的是（ ）
A．Y为反应物HCl，W为生成物H2O
B．反应制得1mol Cl2，须投入2mol CuO
C．升高反应温度，HCl被O2氧化制Cl2的反应平衡常数减小
D．图中转化涉及的反应中有两个属于氧化还原反应
O2
Cl2
HCl
H2O
催化剂
催化剂与反应机理
①
催化剂具有高效性，且循环使用，少量即可
H<0，T↑，逆向移动
②
③
④
④
⑤
⑥
⑤、⑥
B
【例8】（2024北京T13）苯在浓HNO3和浓H2SO4作用下，反应过程中能量变化示意图如下。下列说法不正确的是（ ）
重温经典，感悟高考
A．从中间体到产物，无论从产物稳定性还是反应速率的角度均有利于产物Ⅱ
B．X为苯的加成产物，Y为苯的取代产物
C．由苯得到M时，苯中的大π键没有变化
D．对于生成Y的反应，浓H2SO4作催化剂
催化剂与反应机理
加成产物， H1>0
取代产物， H2<0
决速
步骤
sp3
C
【例9】（2024全国甲卷T28）甲烷转化为多碳化合物具有重要意义。一种将甲烷溴化再偶联为丙烯(C3H6)的研究所获得的部分数据如下。回答下列问题：
（3）少量I2可提高生成CH3Br的选择性。500℃时，分别在有I2和无I2的条件下，将8mmol CH4和8mmol Br2，通入密闭容器，溴代甲烷的物质的量(n)随时间(t)的变化关系见下图。
重温经典，感悟高考
(i)在11~19s之间，有I2和无I2时CH3Br的生成速率之比 _____
(ii)从图中找出I2提高了CH3Br选择性的证据：_____。
(ⅲ)研究表明，I2参与反应的可能机理如下：
①I2(g)= I(g)+ I(g) ② I(g)+ CH2Br2(g)= IBr(g)+ CH2Br (g)
③ CH2Br(g) + HBr(g)= CH3Br(g)+ Br (g)
④ Br (g)+ CH4 (g) =HBr(g) + CH3(g)
⑤ CH3(g) + IBr(g)= CH3Br(g)+ I(g) ⑥ I(g)+ I(g) = I2(g)
根据上述机理，分析I2提高CH3Br选择性的原因：_____。
消耗了部分CH2Br2，同时也消耗了部分HBr，使得消耗的CH2Br2发生反应生成了CH3Br，提高了CH3Br的选择性
催化剂与反应机理
【例10】（2024安徽T17）乙烯是一种用途广泛的有机化工原料。由乙烷制乙烯的研究备受关注。回答下列问题：
（4）通过Cu+修饰的Y分子筛的吸附-脱附。可实现C2H4和C2H6混合气的分离。Cu+的_______与C2H4分子的π键电子形成配位键，这种配位键强弱介于范德华力和共价键之间。用该分子筛分离C2H4和C2H6的优点是_______。
（5）常温常压下，将C2H4和C2H6等体积混合，以一定流速通过某吸附剂。测得两种气体出口浓度(c)与进口浓度(c0)之比随时间变化关系如图所示。下列推断合理的是_______(填标号)。
重温经典，感悟高考
A．前30min，两种气体均未被吸附
B．p点对应的时刻，出口气体的主要成分是C2H6
C．a-b对应的时间段内，吸附的C2H6逐新被C2H4替代
催化剂与反应机理
C2H4能与Cu+形成配合物而吸附在Y分子筛上，C2H6中无孤电子对不能与Cu+形成配合物而无法吸附
空轨道
BC
3d10
【例10】（2024江苏T17） 氢能是理想清洁能源，氢能产业链由制氢、储氢和用氢组成。
（1）利用铁及其氧化物循环制氢，原理如图所示。反应器Ⅰ中化合价发生改变的元素有_______；含CO和H2各1mol的混合气体通过该方法制氢，理论上可获得_______mol H2。
重温经典，感悟高考
催化剂与反应机理
3CO+Fe2O3=2Fe+3CO2
3H2+Fe2O3=2Fe+3H2O
3Fe+ 4H2O = 4H2+Fe3O4
1mol
1mol
mol
mol
mol
mol
C、H、Fe
【例11】（2024江苏T17） 氢能是理想清洁能源，氢能产业链由制氢、储氢和用氢组成。
（3）反应 可用于储氢。
①密闭容器中，其他条件不变，向含有催化剂的0.1 mol·L-1NaHCO3溶液中通入H2，HCOO-产率随温度变化如图所示。温度高于70℃，HCOO-产率下降的可能原因是_______。
重温经典，感悟高考
②使用含氨基物质(化学式为CN-NH2，CN是一种碳衍生材料)联合Pd-Au催化剂储氢，可能机理如图所示。氨基能将 控制在催化剂表面，其原理是_______；用重氢气(D2)代替H2，通过检测是否存在_______(填化学式)确认反应过程中的加氢方式。
催化剂与反应机理
NaHCO3受热分解
平衡移动？
Au原子与O之间的配位作用力
-NH2与-OH之间的氢键
NHD、DCOO-
【例12】 （2024贵州T14）在无氧环境下，CH4经催化脱氢芳构化可直接转化为高附加值的芳烃产品。
（6）引入丙烷可促进甲烷芳构化制备苯和二甲苯，反应如下：
重温经典，感悟高考
(两个反应可视为同级数的平行反应)对于同级数的平行反应有，其中v、k分别为反应速率和反应速率常数，Ea为反应活化能，A1、A2为定值，R为常数，T为温度，同一温度下是定值。已知Ea,苯适当降低温度，或改变催化剂
催化剂与反应速率
模型建构
PART 03
03
构建思维模型，兼顾方法模型
1、以核心素养为测试宗旨
2、以真实情境为测试载体
3、以实际问题为测试任务
4、以化学知识为解决问题的工具
命题原则
提取
联系
关键能力
解题方略
方程
图表
文字
简单？复杂？
平行？连续？
仪器的选择及连接顺序
试剂的选择及添加顺序
反应物及生成物
催化剂及中间产物
转移电子数目
活化能
焓变
必备知识与关键信息
科学分析与准确判断
归因分析
平衡移动
速率调控
构建思维模型，兼顾方法模型
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。
每一步反应都称为基元反应。
反应物分子并不是通过简单碰撞直接形成产物，而是必须经过一个形成活化络合物的过渡状态，并且达到这个过渡状态需要一定的活化能。
简化的催化反应基本过程：反应物扩散到催化剂表面→反应物吸附在催化剂表面→吸附的反应物转化生成产物→产物的脱附
改
变
改变反应的途径（机理）
改变反应的活化能
改变化学反应速率
不
改
变
不能改变焓变(ΔH)
不改变反应的平衡转化率(α)及平衡常数(K)
不改变反应的可能性
动力学
热力学
催化剂
构建思维模型，兼顾方法模型
“环式”反应催化机理
反应物“只进不出”
生成物“只出不进”
催化剂“失而复得”
中间产物“自生自灭”
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
构建思维模型，兼顾方法模型
基元反应速率方程：(A)(B)
阿伦尼乌斯公式：
范特霍夫方程：
盖斯定律： +
动力学方程
热力学方程
教学启示
PART 04
04
高考引领教学，教学衔接高考
反应机理在近几年高考题中频繁出现。化学反应机理试题以图示的形式来描述某一化学变化所经由的全部反应，就是把一个复杂反应分解成若干个反应，然后按照一定规律组合起来，从而达到阐述复杂反应的内在联系的目的。近来年出现考查考生对反应热、活化能、催化剂对反应历程的影响与能量变化，反应历程分析等，且考查内容越来越多元化。
化学中热力学趋势和动力学趋势的含义
1.热力学注重反应的趋势，比如反应趋向于熵增，放热，让能量降低的趋势，产物的能量越低，热力学越稳定，与平衡常数密切相关。
动力学与反应过程的活化能有关，过渡态能量越低，活化能越低，速率越快，可以使用阿伦尼乌斯方程判断。
2.低温，速度慢，反应很难到达平衡，所以动力学控制产率。高温速度快，反应很容易到达平衡，所以最终产率取决于平衡常数，也就是热力学控制。
高考引领教学，教学衔接高考
热力学控制和动力学控制的区别
1.反应沿着不同的反应历程会得到不同的产物。
如果反应还未达成平衡前就分离产物，利用各种产物生成速率差异来控制产物分布称动力学控制反应，其主要产物称动力学控制产物。
如果让反应体系达成平衡后再分离产物，利用各种产物热稳定性差异来控制产物分布称热力学控制反应或平衡控制反应，其主要产物称热力学控制产物。
2.两种控制的区别是在分离产物时反应体系是否达到平衡态，没有涉及反应条件，反应条件不同只是通过影响在分离产物时反应体系离化学平衡态的距离而影响反应产物的分布。
高考引领教学，教学衔接高考
3.要利用控制因素不同，而控制不同的主要产物，并不是任何平行反应都行，而是应当满足一定条件的反应才有可能。下面以A分别生成B和C两种产物为例：
首先是两个方向均有明显的可逆性，如果两个方向的反应几乎没有可逆性，B、C 一旦生成就不能逆转，直到反应物消耗完为止，很明显生成速度快者量最多，它就是主要产物，平衡也无从谈起，则产物都为动力学控制产物。
其次，两种不同产物之间有较明显的热稳定性差异。如上图所示，如C的热稳定性明显比B高，且热稳定性相对较好的C产物，生成反应有较高的活化能，当然它的生成反应速率较低，而热稳定性相对较低的B，生成反应却有较低的活化能，相应B有较高的生成反应速率。
第三，有的反应还应当在一定的温度范围内进行。同样根据阿伦尼乌斯公式：k=Ae-Ea/RT。升高温度可以减小活化能的影响，因此，升高温度有利于得到热力学产物；降低温度，有利于得到动力学产物。
第四，在反应达到平衡前分离产物，无论什么温度范围内，始终有生成B产物的速率，大于生成C产物的速率，只是随着温度的升高两者的差异减小， 因此在任意温度下进行反应，在反应未达成平衡就分离产物时，反应受动力学控制——B产物为主要产物。
高考引领教学，教学衔接高考
高考引领教学，教学衔接高考
第五，若达成平衡后才分离产物，反应受热力学控制——C产物为主要产物。在后一种情况下，两直线有一交点，设其对应温度为T，反应在低于T的温度范围内进行时，生成B的速率大于生成C产物的速率，仍然是反应受动力学控制时，B 产物为主要产物，而反应受热力学控制时，C 产物为主要产物。当温度等于T 时，生成产物B 和C 的速率相等，所以反应体系离平衡尚远时产物中B、C 比例几乎相同，达成平衡后，C产物为主要产物。
当温度高于T时，生成C产物的速率大于生成B产物的速率，C产物就既是热力学稳定产物，也是生成速率快的产物，无论是热力学控制产物，还是动力学控制产物，C产物均是主要产物。从热力学方面：要使热力学稳定性较高的C产物在平衡产物中为主要产物，同样对温度有一定的限制，如果各种产物的平衡表达式形式相同，那么各种产物的平衡浓度与其平衡常数成正比例关系。
走出催化剂的几种常见误区
误区1 催化剂不参加化学反应 催化剂不是不参加化学反应，而是在化学反应前后，催化剂的化学性质基本不变。
误区2 一种反应只有一种催化剂 实际上一个反应可以有多种催化剂，只是我们常选用催化效率高的，对环境污染小，成本低的催化剂。
误区3 催化剂都是加快化学反应速率 实际上，催化剂有正催化剂与负催化剂，正催化剂加快化学反应速率，负催化剂是减慢化学反应速率的。
误区4 催化剂的效率与催化剂的量无关 实际上，催化剂参与了化学反应，是第一反应物。既然是反应物，催化剂的表面积，催化剂的浓度大小必然影响化学反应速率。
高考引领教学，教学衔接高考
高考引领教学，教学衔接高考
备考复习几点建议
1.在备考过程中要重点注意知识的理解和应用，在进行专题复习时重点注意构建知识的关联体系。知识点关系框架的构建需要跨越章节和教材限制，以真题为背景将关联性知识内容整合在一起。让学生从结构化角度入手，形成知识地图，顺藤摸瓜找到解决问题的必备基础知识。
2.真题是最好资料，在备考过程中一定要多做真题。将不同省份同种类型题放在一起进行类比，分析相同点和不同点，归纳共性的解题思路。利用模型分析试题中的图像内容，从图像提取信息，分析信息内容对于化学反应会造成什么样的影响。
3.深度理解化学反应热力学与动力学的区别，明确催化剂在化学反应中的作用与作用机理，并将其与化学反应热力学与动力学的知识相衔接。
4.努力提升提取信息，分析问题，衔接必备知识解决问题的能力，既要大胆猜测，又要小心求证，催化剂及反应机理的很多信息都源自图文，能够遇山开山，也能拨云见日。
THANKS

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