2023年高考化学能量变化和反应历程分析

题型一能量■■反应过程图像

思考（微观角度）：

1.基础图像分析a表示的含义？

b表示的含义？

c表示的含义？

若使用催化剂，它们如何变化？

a：断开反应物化学键所吸收的能量

b:形成生成物化学键所释放的能量

；c:该反应的反应热（注意符号）

t

A//<0〃又被称为“能垒”

NH=断键总能量-成键总能量

逆反应的

活化能思考（宏观角度）：

a表示的含义？

点

生b表示的含义？

内

郁

物c表示的含义？

量

M匕..若使用催化剂，它们如何变化？

立

匕

反

内

坪

物产——［涧：表示反应物的活化能（正反应的活化能）

Mb量

b［热反应过程”|b:活化分子形成生成物所释放的能量

A〃>0I（逆反应的活化能）

正反应的£该反应的反应热（注意符号）

活化能

选用各适的催化剂可降低〃的数值，但不能改变C的数值

AH=正反应活化能-逆反应活化能=a-b

日

生H

向

物

小

量

反应热踞

立

反E

向

物

图示在

量

虢3

口

吸热反应过程

AH<0kH>0

a:断开反应物化学键所吸收的能量（正反应的活化能）

b:形成生成物化学键所释放的能量（逆反应的活化能）

C：该反应的反应热（注意符号）c=a-b

催化剂降低活化能（正、逆反应活化能都降低）但不影响反应热

2.多步反应的活化能及与速率的关系

(1)多步反应的活化能：一个化学反应由几个

基元反应完成，每一个基元反应都经历一个

过渡态，及达到该过渡态所需要的活化能(如

图玛、E2),而该复合反应的活化能只是由实

验测算的表观值，没有实际物理意义。

(2)活化能和速率的关系：基元反应的活化能越大，反应物到达过渡态就

越不容易，该基元反应的速率就越慢。一个化学反应的速率就取决于速

率最慢的基元反应。

[典例1]180标记的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中发生水解，部分反应过程可表示为:

18o-

I

18,8O

oH3C—c—OCH3

工|

I3FH3C4-OH+CIbo-

H3c—c—OCH.3+0H-uOH

18O-18OH

能量变化如图所示。已知HC—C—OCH为快速平衡,

H3C—c—OCH3U33

OH

过渡态1

-、、、过渡态

*/・02

下列说法正确的是（B）'、、/\

?\

A.反应n、in为决速步HiC—C-OCH,\

I\

OH

B.反应结束后，溶液中存在18OH-HiC-C-OCH

3I

HiC-C-Oil

c反应结束后，溶液中存在18+CHQ-

CH3OH反应过程

D.反应I与反应IV活化能的差值等于图示总反应的焰变

【解题思路】

过渡态1

决速步过渡态2

x---------------------

A项乙峻甲酉旨与ZaOH反应.反应I活

学

化

反O-

化》能大，为该反应的决速步

量

应

能I错误

化

图

、平衡移动O

应

学

反+OH-

H、C—C—OH

里

制,8o-,8OH+CHQ-

JIB反应过程

B项因CH3—C―OCH3与CH3-C-OCH*可以

Oil0-

相互通化，通过反应n生成I8QH-

平掷移动

「化学反,

C项CH3OH中的乐辰子弟冰与18。是长，

应能量[故不可旗生成CH/80H

图、化

变____________

学反应

D项，才艮上盍,鼻斤定彳聿可*,无应工妁将变

机理

、^rc*J^LIII变~T~，送变

[•汪

[典例2]2019全国卷I

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

[CO（g）+H2O（g尸CC>2（g）+H2（g）]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。三2

可知水煤气变换的AH'卜于0（填“大于”“等于”或“小|I

于”），该历程中最大能垒（活化能）ETE=2.02eV,

过

33G过H.OG

写出该步骤的化学方程式ot00CO

渡

O.渡OH

=XXH++X

态

态+.

z++H+

0X.2@

+1Z军

Z+H

++

@H.XH

COOH*4B*4BO*=COOH*+2II*+OH*8XJ

2+HOSM+

0OO-X,+3

3+3}G

O)

）3d'3

«II2O^H*+OH*O

,3

【解析】根据图示，CO（g）和H2O（g）的能量大于CO2（g）和H2（g）,所以水煤气变换的

AH小于0；根据图示，正反应活化能的最大值为L86-（-0.16）=2.02eV；该历程为

COOH*+H*+H2。*生成COOH*+2H*+OH*,反应方程式是

COOH*+H*+H2O*=COOH*+2H*+OH*o

［典例3］(2021湖南适应性考试)活泼自由基与氧气的反应一直是关注的热点。HNO自

由基与。2反应过程的能量变化如图所示：

过渡态1

HNO+Ojl4.15过渡态IV

下列说法正确的是()「-18.92

7生间产物X

一

。

E。7-12.16

A.该反应为吸热反应•

P过渡念U

0\产物Pi

通-153.58封:渡态(H—O—O—N-=O)

B.产物的稳定性:PPP2卷OO

-2(M)

芯|\匚?03-202.00

中间中面芦一物

C.该历程中最大正反应的活化能E正=186.19kJ-mol“妾Z

-201.34-205.11

-300

D.相同条件下，由中间产物Z转化为产物的速率:u(Pi)vy(P2)产物PKH•三忑＜?)

-320.40°

解析由图示可知,反应物所具有的能量之和比生成物所具有的能量之和高，即该反应为

放热反应,A项错误;产物P2所具有的能量比产物P1所具有的能量低118.4kJ,所以产物P2比

产物Pi要稳定再项错误;由图示可知中间产物Z到过渡态IV所需的活化能最大，则-18.92

kJ・moH-(-205.llkJ-mol1)=186.19kJ・mol”,C项正确;由Z到产物P］所需的活化能低于由

Z到产物P2所需的活化能，则由中间产物Z转化为产物的速率:WPI)”(P2),D项错误。

方法技巧解答能量变化图像题需要注意的几点。

(1)反应热不能取决于部分反应物能量和部分生成物能量的相对大小，即部分反应物能量

和部分生成物能量的相对大小不能决定反应是吸热还是放热。

(2)注意活化能在图示(如下图)中的意义。

①从反应物至最高点的能量变化(Ei)表示正反应的

活化能。

②从生成物至最高点的能量变化(62)表示逆反应的

活化能。

⑶催化剂只能影响正、逆反应的活化能，而不影响

反应的

(4)涉及反应热的有关计算时,要切实注意图示中反

应物和生成物的物质的量。

【思维建模】三步突破能量变化活化能（能垒）图：

能及变化活化能（能垒）图的横坐标一般表

示反应的过程，横坐标的不同阶段表示一个

'通览厘清坐、完整反应的不同阶段。纵坐标表示能量的变

、全图标含义化，不同阶段最高点与最低点之差为活化能

（能垒）

▽仔细观察曲线（或直线）的变化趋势，分析每

_____一阶段发生的反应是什么，各段反应是放热

图语LJ分析各、

口变化段反应还是吸热，能量升高的为吸热，能量降低的

为放热

整合各项信息，回扣题目要求，作出合理判

V断。如利用盖斯定律将各步反应相加，即得

到完整反应；催化剂只改变反应的活化能，

但不改变反应的反应热，也不会改变反应的

转化率

13

练习L合成氨反应5%(g)+5%(g)=阳3他)是目前最有效工业固氮的方

法,解决数亿人口生存问题。科学家研究利用铁触媒催化合成氨的反应历程如

图所示，其中吸附在催化剂表面的物种用“ad”表示。

下列说法错误的是(C)

A.该合成氨反应的AH=-46kJ-mol-i

B.活化能最大的一步反应的方程式为必+除二二二二1^^

C.升高温度、增大压强均能提高原料的平衡转化率

D.加入催化剂能降低反应活化能,加快正反应速率四睫

【解析】A.合成氨反应中,反应物的总能量高于生成物的总能量,所以反应为放热反

应，AH=-46kJ・inolT,故A正确;B.从图中可以看此活化能最大的一步反应是

+

NadHad====NHad,活化能高于106kJ•mol-i,故B正确;C.合成氨反应是放热反应,升高温

度,平衡逆向移动,降低原料的平衡转化率;合成氨反应是气体体积减小的反应,增大压

强,平衡正向移动,可以提高原料的平衡转化率,故C错误;D.催化剂能降低反应的活化能,

加快正反应速率,故D正确。

练习2.研究发现Pci2团簇可催化CO的氧化,在催化过程中路径不同可能生成不同的过

渡态和中间产物（过渡态已标出），下图为路径1和路径2催化的能量变化。下列说法错

误的是（B）

A.CO的催化氧化反应为2CO+（）2==2CO2

B.反应路径1的催化效果更好

C.路径1和路径2第一步能量变化都为3.22

eV

D.路径1中最大能垒（活化能）E正=1.77eV

【解析】A.由图可知CO在Pci?催化作用下与氧气反应产生CO.反应方程式为

2CO+O2===2CO2,A正确;B.由图可知:反应路径2所需总的活心能比反应路径1

低,反应路径2的催化效果更好,B错误;C.反应路径1和反应路径2的第一步能

量变化都为3.22eV,C正确;D.路径1的最大能垒（活化能）E正二-3.96eV-

（-5.73eV）=1.77eV,D正确。

练习3.热催化合成氨面临的两难问题是：采用高温增大反应速率的同时会因平衡限制

导致NHb产率降低。我国科研人员研制了Ti-H-Fe双温区催化剂（Ti・H区域和Fe区域的

温度差可超过100。。。Ti-H-Fe双温区催化合成氨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。下列说法正确的是（C

A.①为氮氮三键的断裂过程o

B.①②③在低温区发生，④⑤在高温区'严-1.87

发生二2・小⑨鬲7^4一④-3.可

C.④为N原子由Fe区域向Ti-H区域的传

递过程

D.使用Ti-H-Fe双温区催化剂使合成氨反

应转变为吸热反应反应过程

【解析】A项，根据图示，①为氮分子的吸附在催化剂表面的过程，氮氮三键没有断裂，错误;

B项，①②③在高温区发生，提高反应速率，④⑤在低温区发生，促进平衡正向移动，错误;

C项，根据图示④为

,N原子由Fe区域向Ti-H区域的传递，正确；D项，反应的熔变只与反应体系的始态和终态有关，与催

化剂无关，错误。

练习4.2010年Sheth等得出乙快在Pd表面选择加氢的反应机理（如图）。其中吸

附在Pd表面上的物种用*标注。

£=-172kj-mol'

上述吸附反应为放热（填“放热”或

“吸热”）反应，该历程中最大能垒（活

化能）为+85kJmoP,该步

骤的化学方程式为

_______C2H-+H*TC2H4*。

【解析】由图可知，吸附时能量降低，解吸时能量升高，

如C2H4*-C2H4△H=+82kJmor1,基元反应中，C2H3*+H*-C2H「的

活化能最大，为+85kJ・molT。

练习5:2018全国卷I

（3）对于反应22。5值）-4NC>2（g）+O2（g）,R.A.Ogg提出如下反应历程：

第一步N2O5NO2+NO3快速平衡

第二步NO2+NO3-NO+NO2+O2慢反应

第三步NO+NO3-2NO2快反应

其中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡。下列表述正确的是（填标号）。

A.“第一步的逆反应）>号（第二步反应）

第一步反应快速平衡，说明正、逆反应速率很大，

B.反应的中间产物只有NO3极短时间内即可达到平衡，A项正确；

第二步反应慢，说明有效碰撞次数少，项正确；

第二步中与的碰撞仅部分有效C

CNO2NO3由题给三步反应可知，反应的中间产物有NO3和

D.第三步反应活化能较高NO,B项错误；

反应快，说明反应的活化能较低，D项错误。

练习6、三甲胺【N(CH3)31是重要的化工原料，最近我国科学家实现了使用铜催化剂将

N,N一二甲基甲酰胺【(CHJzNCHO,简称为DMF］转化为三甲胺的合成路线。

(1)结合实验与计算机模拟结果，研究单一DMF分子在铜催化剂表面的反应历程，如

图所示:

(CH3)2NCHO(g)+2H2(g)

0.0

-0.5##N(CH3)3(g)+H2O(g)

(CH3)2NCHOH+3H

tt-1.02

-1.0-1.23(CH3hNCH.+OH+2H

-1.5-1.55

-2.16

-2.0(CHjbNCH20H・+2H・

(CH3)2NCHO*+4H・・一NtClbhWIP+IP

该历程中最大能垒(活化能户L19eV，该步骤的化学方程式为：

N(CH3)3+OH*+H*=N(CHa)3f_________。

(2)该反应的AHV(填“>”、"v”或“=，，),制备三甲胺的热化学方程式

勺：(CH3)2NCHO(g)-h2H2(g)=N(CH3)3(g)十H2O(g)AH=-1.02NAeV/mol

（2）合成氨的原料气可来自甲烷水蒸气催化重

整。我国科学家对甲烷和水蒸气催化重整反应机

理也进行了广泛研究，通常认为该反应分两步进二三

行。第I步:<2凡催化裂解生成H2和碳（或碳氢物设

种）,其中碳（或碳氢物种）吸附在催化盍（ads）上，如

CH4Cads/[C（H）Jads+（2-）町第II步:碳（或碳

氢物种）和H2。反应生成CO2和H2,如Cads/[C（H）Mads+2H82+（2+反应过程

和能量变化残图如下（过程①没有加催化剂,过程②加入催化剂），过程①和②的关

系:①（填或“="）②;控制整个过程②反应速率的是第（填

“I”或“II”）步淇原因为O

解析（2）过程①和②中，催化剂不影响反应物的转化率，对不产生影响，

所以①=②;整个过程②分两步进行，第n步的活化能大，反应速率慢，所以

需控制第II步。

题型二类比模型、细研图示一新情境图示原理探究

考向一借助新情境图像分析机理

1.（2020•全国I卷）错的配合物离子［Rh（CO）2l2＞可催化甲醇锻基化,

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.甲醇谈基化反应为CHaOH+CO-----CH3co2H

C.反应过程中Rh的成键数目保持不变

D.存在反应CHBOH+HI------CH3I+H2O

CIb

,Iy^coriii

解析:由反应过程图可知CH3OHTCH31TTV0T叭/。TC/COIT

/\ivnIU1

L11coj/|\/|\

.i[coL1jco-

CH3c(hH,CH3coi是反应的中间产物”项正确；把各步反应累加，得到CH30H+

-rCH}]-

\l/co和。c'3

CO-CH3cOzH,B项正确;Rh中Rh的成键数为6,V0中Rh

/|\

/|\/|\

ICOL]JcoJLiIcoJ

-ICO--

的成键数为5,V中Rh的成键数为4,反应过程中Rh的成键数不相同，C项

L18」I

错误；由题图可知，甲醇的第一步反应为CH3OH+HI_CH3I+H2O,D项正确。

2.热催化合成氨面临的两难问题是采用高温增大反应速率的同时会因平衡限制导致

N出产率降低。我国科研人员研制了Ti・H・Fe双温区催化剂（Ti・H区域和Fe区域的温度

差可超过100℃）oTi・H・Fe双温区催化合成氨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。下列说法正确的是（C）

A.①为N三N键的断裂过程

B.①②在高温区发生,③④⑤在低温区发生

C.④为N原子由Fe区域向Ti・H区域的传递过程

D,使用Ti・H・Fe双温区催化剂使合成氨反应转变

为吸热反应

解析:①过程之后氮气分子被催化剂吸附,N三N键没有断裂，故A错误;①为催化

剂吸附N?的过程,②为形成过渡态的过程,③为M解离为N的过程,以上都需要

在高温时进行，④⑤在低温区进行是为了提高阳3产率，故B错误;由题中图示可

知,④过程完成了Ti-H-Fe-*N到Ti-H-*N-Fe两种过渡态的转化,N原子由Fe区

域向Ti-H区域传递，故C正确;催化剂不会改变反应的热效应,故D错误。

考向二借助新情境图像分析反应过程

3.(2020•全国II卷)据文献报道:Fe(CO)5催化某反应的一种反应

co

机理如图所示。下列叙述错误的是(OH-

coOC-Fe^'C°

\COOH-

A.OH•参与了该催化循环C◎coI、co

oc—F<coO^F日。

B.该反应可产生清洁燃料”|、co

HCO'CO?

C.该反应可消耗温室气体CO2H2r

H2

OC-Fe-*coOC—Fe^'CO

D,该催化循环中Fe的成键数目发生变化I、co|、C0

co/co

.HH„-,/也0

/CO0-HA“0

解析:结合反应机理图示可知,0H-参与了0仪~0OC小CO

该催化循环反应,A项正确；从图示可看出co

有电生成,且没有再参与反应，即该反应可产生清洁燃料电,B项正确；根据

图示可看出C0参与了反应，并最终转化为CO?放出，即该反应能消耗C0,生

成C()2,C项错误;该循环过程中Fe的成键数目可能是4、5或6,即该催化循

环过程中Fe的成键数目发生变化,D项正确。

4.（2020•北京昌平期中）如图为氟利昂（如CFCIJ破坏臭氧层的反应过程

示意图，下列说法不正确的是（C）紫外辐射ooC139&

A.过程I中断裂极性键C-C1键过鬻原子产氧化氯

B.过程II可表示为（h+Cl---C10+02

c.过程m中o+o—＜）2是吸热过程氯原子03J

D.上述过程说明氟利昂中氯原子是破坏的催化剂心。2

解析:过程I中CFCL转化为CFCL和氯原子，断裂极性键C—CI键，故A正确；

根据图示信息可知,过程11可表示为03+CI€10+02,故B正确；0+00?为

原子结合成分子的过程，为放热过程,故C不正确；上述过程说明氟利昂中氯原

子在反应前后不变，是破坏th的催化剂，故D正确。

练后小结

反应微观示意图考查角度

⑴确定模型表示的物质

⑵判定模型表示的变化

⑶观察模型变化的结果

⑷判定模型表示的化学反应类型

⑸判定模型表示的物质类别

⑹判定模型表示的粒子构成

⑺判断化学反应顺序

(8)寻找符合模型的化学反应

(9)确定模型图示的构成

(10)计算质量、质量比

练习1.我国科学家利用计算机模拟计算，分别研究反应CH30H(g)+S(Mg)=

CH30so3H(g)\H=-63AkJ・mol」在无水和有水条件下的反应过程，如图所示,其中分

子间的静电作用力用“一”表示o

•H

oO

80・C

3.68

0.00

CHQH

SO3

H2O

CH30H和SO3反应过程(布■水)

解析

⑴分子间的静电作用力最强

(l)a处的分子能量更低，更稳定,分子间静电作

的是L(填或"c”)。用力更强。

⑵无水时，反应的最高能垒为19.59eV-(-L34

⑵水将反应的最高能垒

eV)=20.93eY有水时，反应的最高能垒为3.66

由2°・93ev降为6・62eVoeV-(-2.96eV)=6.62eY即水将反应的最高能垒

由20.93eV碎为6.62eV。

练习1.我国科学家利用计算机模拟计算，分别研究反应CH3OH(g)+SO3(g)=

CH30so3H(g)XH=-63AkJ,mol-i在无水和有水条件下的反应过程，如图所示,其中分

子间的静电作用力用“一-”表示。

(3)d到型化的实质为质子转移，CH30H和SCh反应过程(有水)

该过程断裂的化学键为(填解析

字母)。ACD

(3)由图可知，水中的氢氧键、甲醇中的

A.CH30H中的氢氧键

B.CH30H中的碳氧键氢氧键、三氧化硫中的硫氧键都发生

CH2。中的氢氧键了断裂,A、C、D符合。

D.SO3中的硫氧键

练习2.（2021河北卷节选）当今，oa

Ab

世界多国相继规划了碳达峰、wc

60

碳中和的时间节点。因此，研leo

混27

发二氧化碳利用技术，降低空斐00

气中二氧化碳含量成为研究热契O

+

*+H+fe<*+H

点。研究表明,在电解质水溶_\*H2

液中,CO2气体可被电化学还原。

在电解质水溶液中，三种不同反应过程反应过程

催化剂、、上电还原

（abc）CO2图1CC）2电还原为CO图2H+电还原为H2

为CO的反应过程中（H+电还原

为H2的反应可同时发生），相对