微专题(一)　催化反应机理分析与能垒图像

微专题(一)催化反应机理分析与能垒图像新高考强调素养为本的情境化命题，高考通过真实情境的创设，考查学生的信息获取能力和迁移应用能力。近几年高考常以催化剂的催化反应机理和能垒图像为情境载体进行命题。这两类命题，由于陌生度高，思维转化大，且命题视角在不断地发展和创新，成为大多数考生高分路上的“拦路虎”。0102题型(一)催化反应机理分析题型(二)能垒图像1．牢记两种反应机理模型(1)循环模型一种太阳能催化H2O分解的反应机理题型(一)催化反应机理分析(2)微观原子模型CO2和CH4转化为CH3COOH的催化反应历程2．巧抓三个关键点(1)未给出具体物质模型或给出微观模型，要先将模型转化为具体物质，再进行分析，避免途中混淆。(2)确定物质：进入循环图的箭头为反应物，离开循环图的箭头为生成物，生成最终产物的步骤同样生成催化剂，其余为中间产物。(3)反应机理中，涉及过渡态、基元反应、碰撞理论等知识应做理解，避免储备不足导致无法解析题干。[例1]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===CH3CO2HC．反应过程中Rh的成键数目保持不变D．存在反应CH3OH＋HI===CH3I＋H2O铑配合物在整个反应历程中，成键数目，配体种类等均发生了变化，C项不正确；由图可知HI可以使甲醇转化为CH3I，方程式可写成CH3OH＋HI===CH3I＋H2O，D项正确。[答案]

C[思维建模]催化反应机理题的解题思路1．通览全图，找准一“剂”三“物”一“剂”指催化剂催化剂在机理图中多数是以完整的循环出现的，以催化剂粒子为主题的多个物种一定在机理图中的主线上三“物”指反应物、生成物、中间产物(或中间体)反应物通过一个箭头进入整个历程的物质是反应物生成物通过一个箭头最终脱离整个历程的物质一般多是生成物三“物”指反应物、生成物、中间产物(或中间体)中间产物通过一个箭头脱离整个历程，但最终生成生成物的是中间体，通过两个箭头进入整个历程的中间物质也是中间体，中间体有时在反应历程中用“[

]”标出续表2．逐项分析得答案根据第一步由题给情境信息，找出催化剂、反应物、生成物、中间体，再结合每一选项设计的问题逐项分析判断，选出正确答案。[提能集训]1．(2023·湖南等级考)N2H4是一种强还原性的高能物质，在航天、能源等领域有广泛应用。我国科学家合成的某Ru(Ⅱ)催化剂(用[L-Ru—NH3]＋表示)能高效电催化氧化NH3合成N2H4，其反应机理如图所示。答案：B

[L-Ru—NH3]2＋→[L-Ru—NH2]＋失去1个H，所带电荷数减1，则Ru化合价不变，与[L-Ru—NH2]＋相比，M中N含有1个单电子，所以Ru的化合价不是＋3，B项错误；反应过程中有N—N非极性键的形成，C项正确；答案：D解析：1进入反应后经过多步反应后又生成，故该物质为催化剂，而3、5、8均为上一步的产物和下一步的反应物，它们均为中间体，A项错误；

8→10＋11为消去反应，C项错误；3．有文献报道异辛醇在一定条件下选择性合成异辛酸可能的反应机理如图所示，下列说法错误的是(

)答案：B

解析：从题给反应机理图可以判断，开始时物质A参与了反应，最后又生成了物质A，物质A的性质没有改变，故反应过程中A为催化剂，故A正确；反应机理图中钨(W)的成键数目一直是4，未发生改变，故B错误；总反应的化学方程式正确，故D正确。[例2]水煤气变换[CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)]是重要的化工过程。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。题型(二)能垒图像可知水煤气变换的ΔH________(填“大于”“等于”或“小于”)0。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：________________________________________________________________________________________________________________________。[解析]

题图为水煤气变换的反应历程中能量的变化，横坐标表示CO(g)与H2O(g)在金催化剂表面的反应历程，而纵坐标表示反应历程中不同阶段的能量变化，从总体来看，反应CO(g)＋H2O(g)===CO2(g)＋H2(g)的过程中相对能量由0eV到－0.72eV，ΔH<0，为放热过程。反应历程中过渡态1的能垒E正为1.59eV－(－0.32eV)＝1.91eV，结合反应历程图可得此过程的化学方程式为CO*＋H2O*＋H2O(g)===CO*＋OH*＋H*＋H2O(g)，而过渡态2的能垒E正为1.86eV－(－0.16eV)＝2.02eV，结合反应历程图可得此过程的化学方程式为COOH*＋H*＋H2O*===COOH*＋2H*＋OH*(或H2O*===H*＋OH*)。故该反应历程中最大能垒E正＝2.02eV，该步骤的化学方程式为COOH*＋H*＋H2O*===COOH*＋2H*＋OH*(或H2O*===H*＋OH*)。[答案]

小于2.02

COOH*＋H*＋H2O*===COOH*＋2H*＋OH*(或H2O*===H*＋OH*)[思维建模]三步突破能量变化能垒图[提能集训]1．(2023·辽宁省协作校第二次模拟)科学家研究发现，在一种特殊催化剂作用下，水可促进CH4、O2高选择性的直接合成CH3OH，其中部分反应机理如图所示。以下说法错误的是(

)A．H2O在CH4氧化合成甲醇过程中的作用是提供*OH与*CH4结合形成*CH3OHB．2CH4(g)＋O2(g)===2CH3OH(g)ΔH＝－32.51kJ·mol－1C．在催化剂表面，H2O比O2更容易被吸附D．该过程决速步的反应方程式为*OH＋*CH4―→*CH3OH＋*H答案：B

解析：从反应机理图可看出，水在催化剂表面离解出的*OH直接与*CH4结合形成*CH3OH，故A正确；题图中只说明在催化剂中O2的能量，其余能量未说明，无法计算2CH4(g)＋O2(g)===2CH3OH(g)的反应热，故B错误；从相对能量看，水吸附在催化剂表面的能量更低，更加稳定，则在催化剂表面，H2O比O2更容易被吸附，故C正确；由题图可知，*OH＋*CH4―→*CH3OH＋*H的活化能最大，反应速率最慢，为该过程的决速步反应，故D正确。2．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(其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注)。下列说法错误的是(

)A．2个H2分子断键所吸收的能量低于1个DMF分子和4个氢原子在铜催化剂表面吸附所释放的能量B．该反应的总化学方程式为(CH3)2NCHO(g)＋2H2(g)===N(CH3)3(g)＋H2O(g)C．增大压强可以提高该反应的活化分子百分数，进而加快反应速率D．该反应在低温下能正向自发进行答案：C

解析：根据反应历程的相对能量大小可知，2个H2分子断键所吸收的能量低于1个DMF分子和4个氢原子在铜催化剂表面吸附所释放的能量，选项A正确；该反应的总反应为(CH3)2NCHO(g)和H2(g)转化为N(CH3)3(g)和H2O(g)，所以该反应的总化学方程式为(CH3)2NCHO(g)＋2H2(g)===N(CH3)3(g)＋H2O(g)，选项B正确；对于有气体参加的可逆反应，增大压强可以增大单位体积内活化分子个数，但活化分子百分数不变，选项C错误；该反应的ΔH<0，ΔS<0，要使反应能正向自发进行，即ΔG＝ΔH－TΔS<0，则应在低温下进行，选项D正确。3．稀土Er单原子光催化剂能高效催化CO2的还原反应，其反应历程与相对能量如图所示(其中“*”表示稀土Er单原子光催化剂)。下列说法错误的是(

)A．反应过程中所有步骤均发生还原反应B．决速步骤为O*＋2H＋＋2e－===H2O＋*C．稀土Er原子若催化1molCO2，需转移4mole－D．稀土Er原子提高了CO2的催化转化效率答案：C

解析：题图机理中所有步骤均得电子，均发生还原反应，A正确；决速步骤为活化能最大的反应步骤，即O*＋2H＋＋2e－===H2O＋*，B正确；根据题给反应