2024届高考化学一轮复习 课时跟踪检测（三十五） 催化剂的反应机理与能垒图像 （含答案）

这是一份2024届高考化学一轮复习 课时跟踪检测（三十五） 催化剂的反应机理与能垒图像 （含答案），共9页。试卷主要包含了选择题，非选择题等内容，欢迎下载使用。
课时跟踪检测（三十五） 催化剂的反应机理与能垒图像 一、选择题1．醋酸是一种重要的有机合成基础原料，可用作酸度调节剂、香料等。科学家用CO2和甲烷在催化剂作用下合成醋酸，反应历程如图所示。下列说法正确的是(  )A．升高温度，该反应的平衡常数K增大B．在该反应历程中，有极性键和非极性键的断裂和形成C．催化剂可以加快反应速率，增大反应物的平衡转化率D．CO2和甲烷合成醋酸的过程中反应物的原子利用率达到100% 2．近年，在钯(Pd)催化下进行的偶联反应成为研究热点，其一种反应机理如图所示，下列说法错误的是(  )已知：R1、R2表示烃基，X表示卤原子，Y表示羟基。A．转化过程中涉及氧化还原反应B．转化过程中未发生非极性键的断裂和形成C．R2—Pd(Ⅱ)—OC(CH3)3是中间体D．转化过程中存在反应：R2—Pd(Ⅱ)—X＋NaOC(CH3)3―→NaX＋R2—Pd(Ⅱ)—OC(CH3)3 3．利用苯(C6H6)和甲醇(CH3OH)在催化剂作用下反应可得到C7H8。我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究得到反应C6H6(g)＋CH3OH(g)C7H8(g)＋H2O(g)在固体酸(HB)催化剂表面进行的反应历程如图所示。其中吸附在固体酸(HB)表面的物种用*标注。下列有关叙述错误的是(  )A．该反应的热化学方程式为C6H6(g)＋CH3OH(g)C7H8(g)＋H2O(g) ΔH＝－61.4 kJ·mol－1B．C6H在催化剂表面转化为C7H的反应方程式为C6H＋H2O＋CH3B===C7H＋H2O＋HBC．吸附CH3OH(g)的焓变大于吸附C6H6(g)的焓变D．该历程中最大能垒(活化能)E正＝161.9 kJ·mol－1 4．H2在石墨烯负载型Pd单原子催化剂(Pd/SVG)上还原NO生成N2和NH3的路径机理及活化能(kJ·mol－1)如图所示。下列说法错误的是(　 )A．H2还原NO生成N2的决速步为反应⑥B．Pd/SVG上H2还原NO，不容易生成N2C．根据如图数据可计算NO＋5H===NH3＋H2O的ΔHD．由图可知，相同催化剂条件下反应可能存在多种反应历程 5．将CO2电催化转化成燃料和化学品具有重要意义。甲酸可以作为氢载体直接用于甲酸燃料电池。某科学家在常温下用S­In催化剂电催化还原CO2制甲酸的机理如图1所示，反应历程如图2所示，其中吸附在催化剂表面的物种用*标注。下列说法错误的是(　 )A．使用S­In催化剂能够降低反应的活化能B．催化剂S2－活性位点在催化过程中的作用是活化水分子C．制甲酸过程的决速步骤为CO2＋H2O＋e－―→HCOO*＋OH－D．电催化还原CO2制甲酸总反应的ΔS<0 二、非选择题6．碳、氮化合物用途广泛，回答下列问题：(1)炭黑是雾霾中的重要颗粒物，研究发现它可以活化氧分子生成活化氧，活化氧可以快速氧化SO2。活化过程的能量变化模拟计算结果如图1所示。无水条件下，一个氧分子的活化能为____，容易活化氧分子的条件是___(填“有水”或“无水”)。(2)已知在金属催化剂M作用下以N2O为氧化剂可以氧化乙烯生成乙醛。乙烯氧化法制乙醛的催化体系中氧化还原循环如图2所示。已知物质与氧原子的结合力用OA表示。氧原子与N2生成N2O的结合力OA(N2)＝167.4 kJ·mol－1，氧原子与乙烯生成乙醛的结合力OA(C2H4)＝473 kJ·mol－1，则可用作该反应的催化剂的金属M与氧原子的结合力OA(M)的值应满足：________________________。使用催化剂会使该反应的活化能____(填“增大”或“减小”)。 7．(1)一种以乙烯作为还原剂的脱硝(NO)原理，其脱硝机理示意图如图1，脱硝率与温度、负载率(分子筛中催化剂的质量分数)的关系如图2所示。①写出该脱硝原理总反应的化学方程式：___________________________________。②为达到最佳脱硝效果，应采取的条件是_______________________________。(2)氢气选择性催化还原NO是一种比NH3还原NO更为理想的方法，备受研究者关注。以Pt­HY为催化剂，氢气选择性催化还原NO在催化剂表面的反应机理如图：①Pt原子表面上发生的反应除N＋N===N2、2H＋O===H2O外还有________________________。②已知在HY载体表面发生反应的NO、O2的物质的量之比为1∶1，补充并配平下列离子方程式：NH＋NO＋O2===N2＋H2O＋_______________________________________。                课时跟踪检测（三十五） 催化剂的反应机理与能垒图像 一、选择题1．醋酸是一种重要的有机合成基础原料，可用作酸度调节剂、香料等。科学家用CO2和甲烷在催化剂作用下合成醋酸，反应历程如图所示。下列说法正确的是(  )A．升高温度，该反应的平衡常数K增大B．在该反应历程中，有极性键和非极性键的断裂和形成C．催化剂可以加快反应速率，增大反应物的平衡转化率D．CO2和甲烷合成醋酸的过程中反应物的原子利用率达到100%解析：选D 从图中可以看出，该反应是放热反应，升高温度，平衡常数减小，A错误；根据图示，该反应过程中，有C—H键发生断裂，C—H键是极性键，无非极性键的断裂，有C—C键的形成和O—H键的形成，C—C键是非极性键，O—H键是极性键，B错误；催化剂能降低反应的活化能，加快反应速率，但是不能使平衡移动，不能增大反应物的平衡转化率，C错误；由图示可分析出该反应的化学方程式为CH4＋CO2CH3COOH，没有副产物产生，故原子利用率为100%，D正确。2．近年，在钯(Pd)催化下进行的偶联反应成为研究热点，其一种反应机理如图所示，下列说法错误的是(  )已知：R1、R2表示烃基，X表示卤原子，Y表示羟基。A．转化过程中涉及氧化还原反应B．转化过程中未发生非极性键的断裂和形成C．R2—Pd(Ⅱ)—OC(CH3)3是中间体D．转化过程中存在反应：R2—Pd(Ⅱ)—X＋NaOC(CH3)3―→NaX＋R2—Pd(Ⅱ)—OC(CH3)3解析：选B 由图可知，转化过程中Pd元素的化合价发生改变，涉及氧化还原反应，故A正确；烃基R1与R2的成键过程中形成碳碳非极性键，故B错误；由图中转化关系知，R2—Pd(Ⅱ)—OC(CH3)3是中间体之一，故C正确；转化过程中存在反应：R2—Pd(Ⅱ)—X＋NaOC(CH3)3―→NaX＋R2—Pd(Ⅱ)—OC(CH3)3，故D正确。3．利用苯(C6H6)和甲醇(CH3OH)在催化剂作用下反应可得到C7H8。我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究得到反应C6H6(g)＋CH3OH(g)C7H8(g)＋H2O(g)在固体酸(HB)催化剂表面进行的反应历程如图所示。其中吸附在固体酸(HB)表面的物种用*标注。下列有关叙述错误的是(  )A．该反应的热化学方程式为C6H6(g)＋CH3OH(g)C7H8(g)＋H2O(g) ΔH＝－61.4 kJ·mol－1B．C6H在催化剂表面转化为C7H的反应方程式为C6H＋H2O＋CH3B===C7H＋H2O＋HBC．吸附CH3OH(g)的焓变大于吸附C6H6(g)的焓变D．该历程中最大能垒(活化能)E正＝161.9 kJ·mol－1解析：选C 根据图示，反应物的总能量高于生成物的总能量，说明该反应为放热反应，反应热只与始态和终态有关，与反应过程无关，C6H在催化剂表面转化为C7H，A、B项正确；根据图示，计算可知吸附CH3OH(g)的焓变为－109.9 kJ·mol－1，吸附C6H6(g)的焓变为(－66.4－25.5)kJ·mol－1＝－91.9 kJ·mol－1，二者的焓变都小于0，则吸附CH3OH(g)的焓变小于吸附C6H6(g)的焓变，C项错误；该历程中最大能垒(活化能)E正＝[52－(－109.9)] kJ·mol－1＝161.9 kJ·mol－1，D项正确。4．H2在石墨烯负载型Pd单原子催化剂(Pd/SVG)上还原NO生成N2和NH3的路径机理及活化能(kJ·mol－1)如图所示。下列说法错误的是(　 )A．H2还原NO生成N2的决速步为反应⑥B．Pd/SVG上H2还原NO，不容易生成N2C．根据如图数据可计算NO＋5H===NH3＋H2O的ΔHD．由图可知，相同催化剂条件下反应可能存在多种反应历程解析：选C　活化能最大的为决速步，则H2还原NO生成N2的决速步为反应⑥，A正确；由图知， Pd/SVG上H2还原NO，经过①到⑤即可生成氨气，经过①到⑦步才能生成氮气，而决速步反应⑥的活化能最大，发生最困难，则更容易生成NH3，不容易生成N2，B正确；根据如图数据可计算NO＋5H===NH3＋H2O的正反应的活化能，不知道逆反应的活化能，故不能计算ΔH，C不正确；由图可知，相同催化剂条件下反应可能存在多种反应历程、可能得到不同产物，D正确。5．将CO2电催化转化成燃料和化学品具有重要意义。甲酸可以作为氢载体直接用于甲酸燃料电池。某科学家在常温下用S­In催化剂电催化还原CO2制甲酸的机理如图1所示，反应历程如图2所示，其中吸附在催化剂表面的物种用*标注。下列说法错误的是(　 )A．使用S­In催化剂能够降低反应的活化能B．催化剂S2－活性位点在催化过程中的作用是活化水分子C．制甲酸过程的决速步骤为CO2＋H2O＋e－―→HCOO*＋OH－D．电催化还原CO2制甲酸总反应的ΔS<0解析：选C　催化剂能降低反应的活化能，故A正确；由图可知，催化剂S2－活性位点在催化过程中的作用是活化水分子，故B正确；由于反应HCOO*＋H2O＋e－―→HCOOH*＋OH－　ΔG最大，是影响制甲酸的决速步骤，故C错误；结合图像可知，总历程气体分子数减少，ΔS<0，故D正确。二、非选择题6．碳、氮化合物用途广泛，回答下列问题：(1)炭黑是雾霾中的重要颗粒物，研究发现它可以活化氧分子生成活化氧，活化氧可以快速氧化SO2。活化过程的能量变化模拟计算结果如图1所示。无水条件下，一个氧分子的活化能为____，容易活化氧分子的条件是___(填“有水”或“无水”)。(2)已知在金属催化剂M作用下以N2O为氧化剂可以氧化乙烯生成乙醛。乙烯氧化法制乙醛的催化体系中氧化还原循环如图2所示。已知物质与氧原子的结合力用OA表示。氧原子与N2生成N2O的结合力OA(N2)＝167.4 kJ·mol－1，氧原子与乙烯生成乙醛的结合力OA(C2H4)＝473 kJ·mol－1，则可用作该反应的催化剂的金属M与氧原子的结合力OA(M)的值应满足：________________________。使用催化剂会使该反应的活化能____(填“增大”或“减小”)。解析：(1)根据题图1分析，整个反应的活化能为能垒最大者，故无水条件下反应活化能为0.75 eV；有水条件下反应的活化能为0.57 eV，所以水可使氧分子活化反应的活化能降低0.75 eV－0.57 eV＝0.18 eV。(2)氧原子与N2生成N2O的结合力OA(N2)＝167.4 kJ·mol－1，氧原子与乙烯生成乙醛的结合力OA(C2H4)＝473 kJ·mol－1，由催化剂的作用机理结合题图2知，当氧原子与催化剂的结合力处于167.4～473 kJ·mol－1之间时，此反应可发生，因此可用作该反应催化剂的金属M与氧原子的结合力OA(M)的值应满足167.4 kJ·mol－1＜OA(M)＜473 kJ·mol－1。催化剂会降低反应的活化能。答案：(1)0.75 eV 有水 (2)167.4 kJ·mol－1＜OA(M)＜473 kJ·mol－1 减小7．(1)一种以乙烯作为还原剂的脱硝(NO)原理，其脱硝机理示意图如图1，脱硝率与温度、负载率(分子筛中催化剂的质量分数)的关系如图2所示。①写出该脱硝原理总反应的化学方程式：___________________________________。②为达到最佳脱硝效果，应采取的条件是_______________________________。(2)氢气选择性催化还原NO是一种比NH3还原NO更为理想的方法，备受研究者关注。以Pt­HY为催化剂，氢气选择性催化还原NO在催化剂表面的反应机理如图：①Pt原子表面上发生的反应除N＋N===N2、2H＋O===H2O外还有________________________。②已知在HY载体表面发生反应的NO、O2的物质的量之比为1∶1，补充并配平下列离子方程式：NH＋NO＋O2===N2＋H2O＋_______________________________________。解析：(1)①可以先写出分步反应：一氧化氮与氧气反应、二氧化氮与乙烯反应，再相加得出该脱硝原理总反应的化学方程式：6NO＋3O2＋2C2H43N2＋4CO2＋4H2O。②由图2可知，最佳脱硝效果时应采取的条件是350 ℃、负载率3.0% 。(2)①根据机理图，Pt原子表面上发生的反应还有N＋NO===N2O、3H＋N===NH3；②NO、O2的物质的量之比为1∶1，根据氧化还原得失电子守恒、电荷守恒配平方程式为4NH＋2NO＋2O2===3N2＋6H2O＋4H＋。答案：(1)①6NO＋3O2＋2C2H43N2＋4CO2＋4H2O ②350 ℃、负载率3.0%(2)①N＋NO===N2O、3H＋N===NH3 ②4NH＋2NO＋2O2===3N2＋6H2O＋4H＋