催化剂在高考化学中是一个高频考点，其作用及反应机理分析常结合化学反应原理、能量变化、平衡移动等知识点进行综合考查。以下是常见作用及机理分析

一、催化剂的常见作用

1. 改变化学反应速率

  • 催化剂通过降低反应的活化能（或改变反应路径），使更多分子达到活化状态，从而加速反应。例如，H₂O₂分解中加入MnO₂可显著提高反应速率。
  • 注意：催化剂可同时加快正、逆反应速率，且幅度相同，因此不改变平衡状态和转化率。

    • 2. 选择性催化特定反应

  • 催化剂具有专一性，同一反应物使用不同催化剂可能生成不同产物。例如，NH₃与O₂反应，使用Pt催化剂生成NO，而Cr₂O₃催化剂则生成N₂。
  • 高考应用：需根据目标产物选择合适催化剂，例如合成硝酸时需选择利于NH₃氧化生成NO的催化剂。

    • 3. 降低能耗与优化工业流程

  • 工业中催化剂可提高反应效率，如合成氨使用铁基催化剂（含Al₂O₃、K₂O等助催化剂），通过降低活化能实现低温、低压条件下的高效生产。

    • 二、催化反应机理分析

    1. 分步反应与中间产物

  • 催化剂通过改变反应路径，将总反应拆分为多个低活化能的步骤。例如，Cu催化乙醇脱氢生成乙醛：

    • [

    ext{① } 2

    ext{Cu} +

    ext{O}_2 rightarrow 2

    ext{CuO} quad

    ext{② }

    ext{CH}_3

    ext{CH}_2

    ext{OH} +

    ext{CuO} rightarrow

    ext{CH}_3

    ext{CHO} +

    ext{Cu} +

    ext{H}_2

    ext{O}

    ]

    总反应中Cu作为催化剂，经历“Cu→CuO→Cu”的循环。

    2. 活化能与能量变化

  • 催化剂通过降低活化能（Eₐ）提高反应速率。例如，某反应原活化能为E，加入催化剂后分两步进行，活化能分别降为F和G（均小于E），反应速率显著提高。
  • 图示分析：在活化能曲线中，催化剂的作用表现为反应路径的“山峰”高度降低，反应更容易进行。

    • 3. 均相催化与多相催化的差异

  • 均相催化（如酸催化酯水解）：催化剂与反应物处于同一相，反应在分子级别进行，选择性高但难回收。
  • 多相催化（如汽车尾气处理中的Pt-Rh催化剂）：催化剂为固体，反应在表面活性位点进行，耐高温且易分离。

    • 4. 催化剂中毒与失活

  • 中毒：含S、P、As等物质占据催化剂活性位点，导致失活。例如，合成氨中H₂S会使铁催化剂中毒，需用[

    ext{[Cu(NH}_3

    ext{)}_2

    ext{]Ac} ]洗气预处理。
  • 烧结：高温下催化剂颗粒聚集（如纳米颗粒烧结），活性中心减少。抗烧结策略包括引入纳米岛结构增强锚定（如钌纳米颗粒负载于CeO₂）。

    • 三、高考题型与解题要点

    1. 催化循环图的识别

  • 循环图中需区分：反应物（进入）、生成物（离开）、催化剂（循环出现）、中间产物（短暂存在）。例如，CO₂加氢生成CH₄的机理中，Ni-Pd双金属催化剂通过协同作用促进中间产物的转化。

    • 2. 催化机理的文字描述

  • 需按步骤描述反应过程，例如：

    • “催化剂首先与反应物A结合生成中间体AC，随后中间体与B反应生成产物AB并释放催化剂C”。

    3. 能量-反应进程图分析

  • 对比有/无催化剂的活化能差异，判断反应速率变化，并注意催化剂不影响ΔH（焓变）。

    • 四、典型高考真题示例

    1. （2023新课标卷） 肼（N₂H₄）合成酶催化NH₂OH与NH₃生成N₂H₄的机理中，Fe²⁺/Fe³⁺循环起关键作用，需判断中间产物及氧化还原过程。

    2. （2023广东卷） 对比两种催化剂（Cat.1和Cat.2）的反应历程，分析活化能差异对反应速率的影响，结合阿伦尼乌斯公式判断催化效率。

    总结

    催化剂的核心考点围绕“降低活化能”“选择性”“不改变平衡”展开，需结合机理图示、能量变化及工业应用综合分析。解题时注意催化剂的动态循环过程及中间产物的识别，避免混淆催化剂与反应物/生成物的角色。