活化能 导学案 高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1+

2.1.3活化能课标定向1.知道化学反应是有历程的,认识基元反应活化能对化学反应速率的影响。(证据推理与模型认知)2.了解活化能的含义,会用碰撞理论解释化学反应速率的影响因素,体会理论模型的构建过程。(证据推理与模型认知)【教材认知·内化必备知识】1.有效碰撞理论(1)基元反应:大多数的化学反应往往经过多个反应步骤才能实现。其中每一步反应都称为基元反应。(2)反应机理:先后进行的基元反应反映了化学反应的反应历程,反应历程又称反应机理。(3)基元反应发生的先决条件:基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生碰撞,但是并不是每一次分子碰撞都能发生化学反应。(4)有效碰撞:(5)活化能和活化分子活化分子能够发生有效碰撞的分子。对于某一化学反应来说,在一定条件下,反应物分子中活化分子的百分数是一定的活化能活化分子具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量之差,叫做反应的活化能(6)反应物、生成物的能量与活化能的关系图E1-E2是反应热,即ΔH=E1-E22.基元反应过渡状态理论基元反应过渡状态理论认为,基元反应在从反应物到生成物的变化过程中要经历一个中间状态,这个状态称为过渡态。过渡态是反应过程中能量最高的一种状态,过渡态能量与反应物的平均能量的差值相当于活化能[活化能(能垒)越高,此步基元反应速率越慢]。例如,一溴甲烷与NaOH溶液反应的过程可以表示为CH3Br+OH-→[Br…CH3…OH]→Br-+CH3OH3.有效碰撞理论对影响化学反应速率因素的解释浓度反应物浓度增大→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞的次数增加→反应速率增大;反之,反应速率减小压强增大压强→气体体积缩小→反应物浓度增大→单位体积内活化分子数增多→单位时间内有效碰撞的次数增加→反应速率增大;反之,反应速率减小。即压强对化学反应速率的影响,可转化成浓度对化学反应速率的影响温度升高温度→活化分子的百分数增大→单位时间内有效碰撞的次数增加→反应速率增大;反之,反应速率减小催化剂使用催化剂→改变了反应的历程,反应的活化能降低→活化分子的百分数增大→单位时间内有效碰撞的概率增加→反应速率加快。图示:[思考]活化分子间的碰撞一定能发生化学反应吗?提示:不一定。活化分子需要在合适的取向上碰撞才能发生化学反应。【质疑辨析】(1)增大反应物的浓度,能够增大活化分子的百分含量,所以反应速率增大。(×)提示:增大反应物的浓度,能够增大单位体积内活化分子总数,但不能增大活化分子的百分含量。(2)催化剂能降低反应所需的活化能,但ΔH不会发生变化。(√)提示:催化剂能降低反应所需的活化能,但ΔH不会发生变化,ΔH只与始态和终态有关,与反应的路径无关。(3)升高温度,能够增大单位体积内活化分子数目,但不能增大活化分子的百分含量。(×)提示:升高温度,能够增大单位体积内活化分子总数,也能增大活化分子的百分含量。(4)发生有效碰撞的分子一定是活化分子。(√)提示:只有活化分子才有足够的能量,发生有效碰撞。【合作探究·形成关键能力】探究任务:有效碰撞理论对影响化学反应速率的外界因素的解释【导学探究】为应对环境问题,国家提出了绿水青山就是金山银山的理念。氮氧化物的排放严重破坏臭氧层,NO催化O3分解的反应机理如下:第一步:O3(g)+NO(g)→O2(g)+NO2(g)第二步:NO2(g)→NO(g)+O(g)第三步:O(g)+O3(g)→2O2(g)总反应:2O3(g)→3O2(g)其能量与反应历程的关系如图所示。探究点一:知道基元反应活化能与化学反应速率关系(1)以上三步基元反应活化能最大的是哪步?决速步是哪一步?提示:第一步活化能最大。活化能越大,反应速率越慢,为决速步,所以决速步是第一步。探究点二:学会用碰撞理论解释外界因素对化学反应速率的影响(2)用有效碰撞理论解释,为什么使用合适的催化剂能增大化学反应速率?催化剂对正、逆反应的反应速率的改变程度是否相同?提示:使用合适的催化剂,能降低反应的活化能,使更多的反应物分子变成活化分子,从而增大了单位体积内反应物分子中活化分子的数目,有效碰撞次数增多,反应速率增大。催化剂能同等程度地改变正、逆反应的反应速率。【归纳总结】1.化学反应速率与活化分子、有效碰撞的关系活化分子的百分数越大,单位体积内活化分子数越多,单位时间内有效碰撞的次数越多,化学反应速率越快。如图所示:2.活化分子、有效碰撞与反应速率的关系3.活化能与化学反应速率的关系一个化学反应往往由多步基元反应完成,活化能越大的基元反应,反应速率越慢。活化能最大的反应为决速步。【针对训练】(2024·武汉高二检测)化学反应:2HI(g)===H2(g)+I2(g)ΔH实际上是经过两步基元反应完成的:第一步:2HI→H2+2I·;第二步:……。该反应过程的能量变化如图所示,下列说法不正确的是()A.第一步反应的逆反应的活化能是(E5-E3)B.第二步基元反应是2I·→I2C.分子有效碰撞概率最大的步骤对应的基元反应是第一步D.若使用催化剂,(E2-E1)不会发生变化【解析】选C。第一步反应的逆反应的活化能是(E5-E3),A项正确;总反应减去第一步基元反应可以得到第二步基元反应,B项正确;分子有效碰撞概率最大的步骤是活化能最小的步骤,由图知,第二步的活化能最小,C项不正确;ΔH=E2-E1,催化剂的使用不改变ΔH,D项正确。方法导引解决有关活化能题目的规律方法(1)注意活化能最大的步骤为决速步。(2)求反应的ΔH要用始态和终态的相对能量求算。(3)判断基元反应的步数时要看波峰,有几个波峰就有几步基元反应。【补偿训练】1.化学反应有多种理论,图1为有效碰撞理论,图2为使用催化剂和不使用催化剂时能量变化的过渡态理论。下列说法错误的是()A.图1中Z表示有效碰撞B.通过图1可知:有效碰撞时反应物分子要有合适的取向C.图2中虚线代表有催化剂时的反应过程D.通过图2可知:催化剂能改变反应的焓变【解析】选D。A.发生化学反应的碰撞为有效碰撞,Z中生成了新的物质,为有效碰撞,A正确;B.通过图1可知:只有发生化学反应的碰撞为有效碰撞,反应物分子要有合适的取向,B正确;C.图2中虚线的活化能低,反应过程也改变了,为使用催化剂的反应过程,C正确;D.催化剂能改变反应过程,降低活化能,但不能改变反应的焓变,D错误。2.一定条件下,向某密闭容器中充入HI,发生反应:2HI(g)H2(g)+I2(g)ΔH>0,达到平衡状态。该反应经过以下两步基元反应完成:①2HI→H2+2I·ΔH1②2I·→I2ΔH2下列分析不正确的是()A.ΔH1<0、ΔH2>0B.反应物的分子必须发生有效碰撞才能发生基元反应C.缩小容器体积,①的反应速率增大D.加入催化剂,能降低该反应的活化能【解析】选A。A.基元反应②是形成化学键的过程,反应放热,ΔH2<0,总反应的ΔH=ΔH1+ΔH2>0,故ΔH1>0,A选项错误;B.反应物的分子必须发生有效碰撞,使化学键断裂,才能发生基元反应,B选项正确;C.缩小容器体积,使HI的浓度增大,①的反应速率增大,C选项正确;D.加入催化剂,能降低该反应的活化能,D选项正确。【链接高考·明晰高考方向】【真题示例】【典例】(2021·山东等级考)18O标记的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中发生水解,部分反应历程可表示为+OH-+CH3O-,能量变化如图所示。已知为快速平衡,下列说法正确的是()A.反应Ⅱ、Ⅲ为决速步B.反应结束后,溶液中存在18OH-C.反应结束后,溶液中存在CH3D.反应Ⅰ与反应Ⅳ活化能的差值等于图示总反应的焓变[解题思维]解答本题的思维流程如下:提取关键点(1)18O标记的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中发生水解;(2)反应Ⅱ、Ⅲ为决速步转化知识点(1)酯合成的规律是“酸脱羟基醇脱氢”;(2)决速步为活化能最大的基元反应排除障碍点求总反应焓变时,要用反应物总焓与生成物总焓来计算【解析】选B。A.一般来说,反应的活化能越高,反应速率越慢,由图可知,反应Ⅰ和反应Ⅳ的活化能较高,因此反应的决速步为反应Ⅰ、Ⅳ,故A错误;B.反应Ⅰ为加成反应,而为快速平衡,反应Ⅱ的成键和断键方式为或,后者能生成18OH-,因此反应结束后,溶液中存在18OH-,故B正确;C.反应Ⅲ的成键和断键方式为或,因此反应结束后溶液中不会存在CH318OH,故C错误;D.该总反应对应反应物的总能量高于生成物总能量,总反应为放热反应,因此和CH3O-的总能量与和OH-的总能量之差等于图示总反应的焓变,故D错误。【对点演练】1.HCOOH在Pd催化剂表面脱氢的反应机理、反应历程与能量的关系如图所示:下列说法正确的是()A.在Pd催化剂表面HCOOH脱氢反应的ΔH>0B.在Pd催化剂表面解离O—H比C—H的活化能低C.用DCOOH或HCOOD代替HCOOH,得到的产物都有HD和CO2D.在历程Ⅰ~Ⅴ中,生成Ⅴ的反应速率最快【解析】选C。由图示知,甲酸在Pd催化剂表面脱氢反应,反应物的总能量高于最终产物的总能量,放热,即ΔH<0,A错误;由图可知,Ⅰ→Ⅱ解离O—H,活化能为44.7kJ·mol-1,Ⅲ→Ⅳ解离C—H,活化能为36.7kJ·mol-1-8.9kJ·mol-1=27.8kJ·mol-1,B错误;由图可知,HCOOH在Pd催化剂下,C—H、O—H均发生断裂,最终生成H2和CO2,因此用DCOOH或HCOOD代替HCOOH,得到的产物都有HD和CO2,C正确;由图可知,生成Ⅴ的过程活化能最高,则反应速率最慢,D错误。2.(2023·东莞高二检测)我国科研人员研究了在金催化剂表面上水煤气变换反应:CO(g)+H2O(g)CO2(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。下列说法错误的是()A.化学反应CO·+H2O(g)===COOH·+H·的ΔH>0B.步骤②中只有极性键O—H键断裂C.升高温度,该反应过渡态的能垒(活化能)会增大D.水煤气变换反应的速率主要决定于过渡态Ⅱ【解析】选C。根据图示,相对能量由-0.32eV→-0.16eV的反应为CO·+H2O(g)===COOH·+H·,能量升高,故该反应是吸热反应,ΔH>0,故A正确;B.步骤②的变化为H2O·→OH·+H·,只有极性键O—H键断裂,故B正确;C.升高温度,不影响该反应过渡态的能垒(活化能),故C错误;D.活化能的大小可以反映化学反应发生的难易程度,活化能越小则反应速率越快,由图可知过渡态Ⅰ的活化能小于过渡态Ⅱ,故过渡态Ⅱ更难反应,因而水煤气转化过程中的速率主要决定于过渡态Ⅱ,故D正确。【课堂检测·诊断学习效果】1.下列说法中正确的是()A.活化分子具有的能量是活化能B.活化分子的总数越多,反应速率越大C.某一反应的活化分子的百分数是个定值D.单位时间内有效碰撞次数越多,反应速率越大【解析】选D。活化分子具有的平均能量与反应物分子具有的平均能量之差叫做活化能,A项错误;单位体积内活化分子总数越多,有效碰撞次数越多,反应速率越大,B项错误;只有在一定条件下,活化分子在反应物中所占的百分数才是定值,C项错误。2.已知反应:2NO(g)+Br2(g)===2NOBr(g)ΔH=-akJ·mol-1(a>0),其反应机理如下:①NO(g)+Br2(g)===NOBr2(g)快②NO(g)+NOBr2(g)===2NOBr(g)慢下列有关该反应的说法正确的是()A.该反应的速率主要取决于②的快慢B.NOBr2是该反应的催化剂C.正反应的活化能比逆反应的活化能大akJ·mol-1D.增大Br2(g)浓度能增大活化分子百分数,加快反应速率【解析】选A。反应速率主要取决于慢的一步,所以该反应的速率主要取决于②的快慢,故A正确;NOBr2是反应过程中的中间产物,不是该反应的催化剂,故B错误;由于该反应为放热反应,说明反应物总能量高于生成物总能量,所以正反应的活化能比逆反应的活化能小akJ·mol-1,故C错误;增大Br2(g)浓度,活化分子百分数不变,但单位体积内的活化分子数目增多,所以能加快反应速率,故D错误。【补偿训练】已知反应2NO(g)+2H2(g)N2(g)+2H2O(g)ΔH=-752kJ·mol-1的反应机理如下:①2NO(g)N2O2(g)(快)②N2O2(g)+H2(g)N2O(g)+H2O(g)(慢)③N2O(g)+H2(g)N2(g)+H2O(g)(快)下列有关说法错误的是()A.增大H2(g)的浓度能增大单位体积内气体的活化分子数,有效碰撞次数增多,速率加快B.该反应的速率主要取决于②的快慢C.N2O2和N2O是该反应的催化剂D.总反应中逆反应的活化能比正反应的活化能大【解析】选C。A.增大反应物浓度能增大单位体积内气体的活化分子数,有效碰撞次数增多,速率加快,故A正确;B.总反应速率取决于反应较慢的②,故B正确;C.由题给反应机理可知,反应过程中的N2O2和N2O是中间产物,不是催化剂,故C错误;D.总反应为放热反应,则总反应中逆反应的活化能比正反应的活化能大,故D正确。3.汽车尾气中的氮氧化物是城市空气的主要污染物之一,如何降低汽车尾气污染已成为环保领域的热点。回答下列问题:(1)科技工作者用甲烷将氮氧化物还原为N2和H2O,涉及的反应如下:CH4(g)+4NO2(g)===4NO(g)+CO2(g)+2H2O(g)ΔH1=-574kJ·mol-1CH4(g)+2NO2(g)===CO2(g)+2H2O(g)+N2(g)ΔH2=-867kJ·mol-1则CH4(g)还原NO(g)生成N2(g)的热化学方程式为________________。

(2)使用氢能源可以减少汽车尾气中有害气体的排放。利用甲醇与水蒸气反应可以制备氢气: