第一节 第3课时　活化能教学设计

第3课时活化能[课程标准]1.了解有效碰撞理论。2.知道活化能的含义及其对化学反应速率的影响。3.了解催化剂在生产、生活和科学研究领域中的重大作用。知识点一有效碰撞理论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。如2HI=H2＋I2的2个基元反应为2HI→H2＋2I·、2I·→I2。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。6．活化能活化能：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。【微自测】判断正误1．活化能大的反应一定是吸热反应()2．发生有效碰撞的分子一定是活化分子()3．一般情况下，反应的活化能越小，反应速率越快()4．能发生有效碰撞的分子必须具有足够高的能量()答案：1.×2.√3.√4.√某反应过程的能量变化关系如图所示，按要求回答下列问题：(1)已知热化学方程式H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(g)ΔH＝－241.8kJ·mol－1，该反应的活化能为167.2kJ·mol－1，则其逆反应的活化能为_______________________________。(2)已知C(石墨，s)=C(金刚石，s)ΔH＝＋1.5kJ·mol－1，某同学根据该反应吸收的热量较小，认为由石墨变为金刚石的反应很容易进行，但事实上该反应却很难发生，需要很高的温度和很大的压强，请你分析造成这种现象的主要因素是________________________________________________________________________。(3)对于同一反应，图中虚线Ⅱ与实线Ⅰ相比，活化能降低，活化分子百分数增多，反应速率加快，你认为最可能的原因是_______________________________________________________________________。解析：(1)该反应的活化能为167.2kJ·mol－1，则其逆反应的活化能＝正反应活化能－反应焓变＝167.2kJ·mol－1－(－241.8kJ·mol－1)＝409.0kJ·mol－1。(2)虽然石墨和金刚石的能量相差不大，但该反应的活化能很高，因此引发该反应需要很高的温度和很大的压强。(3)催化剂能够降低反应的活化能，提高活化分子百分数，加快反应速率，因此虚线Ⅱ中改变的条件是使用了催化剂。答案：(1)409.0kJ·mol－1(2)该反应的活化能很高(3)使用了催化剂归纳总结1.过渡态理论中的活化能过渡态理论认为，反应物转化为生成物的过程中要经过能量较高的过渡状态。过渡状态的平均能量与反应物分子的平均能量的差为反应的活化能。如下图，E1为正反应的活化能，E2为逆反应的活化能，ΔH＝E1－E2。2．活化能与反应速率化学反应速率与反应的活化能大小密切相关，活化能越小，反应速率越大。1．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．①的逆反应速率大于②的正反应速率B．②中N2O2与H2的碰撞仅部分有效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答案：C2．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①的快慢B．增大Br2(g)浓度能增大活化分子百分数，加快反应速率C．NOBr2是该反应的催化剂D．正反应的活化能比逆反应的活化能小akJ·mol－1答案：D知识点二有效碰撞理论对影响化学反应速率因素的解释1．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。2．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。(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。)3．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。4．催化剂使用催化剂→改变了反应的历程(如图)，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次数增加→反应速率加快。【微自测】判断正误1．升高温度，使反应物分子中活化分子百分数减小()2．有效碰撞次数多，反应速率快()3．催化剂能降低反应所需的活化能，ΔH也会发生变化()4．只要条件合适，普通分子之间的碰撞也可能是有效碰撞()答案：1.×2.×3.×4.×合成氨工业中，在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约为335kJ·mol－1。加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化合物两个阶段进行。第一阶段的反应活化能为126kJ·mol－1～167kJ·mol－1，第二阶段的反应活化能为13kJ·mol－1。由于反应途径的改变(生成不稳定的中间化合物)，降低了反应的活化能，因而反应速率加快了。请从有效碰撞的微观角度，解释在合成氨工业中，铁催化剂提高反应速率的原因。提示：铁催化剂的使用，降低了反应所需的活化能，活化分子百分数提高，有效碰撞次数增加，化学反应速率加快。归纳总结活化分子、有效碰撞与反应速率的关系1．298.15K时，N2、H2与NH3的平均能量与合成氨反应的活化能的曲线如图所示，下列说法正确的是()A．合成氨反应的热化学方程式为N2＋3H22NH3ΔH＝－92kJ/molB．在图中曲线a表示加入催化剂时的能量变化曲线C．升高反应温度，活化分子数增多D．催化活性很强的新型催化剂可以提高N2的转化率答案：C2．下列说法正确的是()①活化分子间的碰撞一定能发生化学反应②普通分子间的碰撞有时也能发生化学反应③活化分子比普通分子具有较高的能量④化学反应的实质是原子的重新组合⑤化学反应的实质是旧化学键的断裂和新化学键的形成过程⑥化学反应的实质是活化分子有合适取向时的有效碰撞A．②③⑥ B．③④⑤C．②④⑤ D．①③④⑤答案：B1．乙炔在Pd表面选择加氢的反应机理如图(吸附在Pd表面上的物质用*标注)，下列叙述错误的是()A．该反应历程中最大能垒(活化能)为85kJ/molB．乙炔催化加氢反应的ΔH＜0C．Pd为固体催化剂，一般其表面积越大，催化效果越好D．C2Heq\o\al(*,2)＋H*→C2Heq\o\al(*,3)的过程中只有化学键的形成D[A.根据题图，该反应历程中最大能垒(活化能)为85kJ/mol，故A正确；B.根据题图，乙炔和氢气的总能量大于乙烯的能量，乙炔催化加氢反应的ΔH＜0，故B正确；C.Pd为固体催化剂，一般其表面积越大，催化效果越好，故C正确；D.C2Heq\o\al(*,2)＋H*→C2Heq\o\al(*,3)的过程中有碳碳键的断裂和碳氢键的形成，故D错误；选D。]2．下列关于有效碰撞理论与影响速率因素之间关系不正确的是()A．活化分子间所发生的部分碰撞为有效碰撞B．增大反应物浓度能够增大活化分子数，化学反应速率增大C．升高温度，活化分子百分数增大，化学反应速率增大D．选用适当的催化剂，分子运动加快，增加了碰撞频率，故反应速率增大D[A.活化分子间所发生的引起反应的碰撞称为有效碰撞，故A正确；B.增大反应物浓度可以增大单位体积内分子总数，从而增多活化分子数，导致反应速率增大，故B正确；C.升高温度可以导致活化分子数增多，故增大了活化分子百分数，反应速率增大，故C正确；D.选用适当的催化剂可以降低反应的活化能，导致活化分子百分数增多从而导致有效碰撞增多，反应速率增大，故D不正确；故选答案D。]3.下列关于化学反应说法正确的是()A．活化分子之间的碰撞一定是有效碰撞B．增大反应物的浓度，可使单位体积内活化分子百分数增多，反应速率加快C．增大体系压强，可使单位体积内活化分子百分数增多，反应速率加快D．催化剂能降低反应的活化能，使单位体积内活化分子百分数增加，反应速率加快D[A.活化分子之间有一定取向的碰撞才能引发化学反应，故活化分子之间的碰撞不一定均是有效碰撞，故A错误；B.增大反应物的浓度，可使单位体积内活化分子数增多，加快速率，故B错误；C.增大体系压强，可使单位体积内活化分子数增多，单位体积内活化分子百分数不变，故C错误；D.催化剂能降低反应的活化能，使单位体积内活化分子百分数增加，反应速率加快，故D正确；故选D。]4．我国科学家研究了不同含金化合物催化乙烯加氢[C2H4(g)＋H2(g)=C2H6(g)ΔH＝akJ·mol－1]的反应历程如下图所示，下列说法正确的是()A．1molC2H4(g)与1molH2(g)具有的能量之和小于1molC2H6(g)的能量B．过渡态物质的稳定性：过渡态1>过渡态2C．该反应的焓变：ΔH＝－129.6kJ·mol－1D．相应的活化能：催化剂AuF<催化剂AuPFeq\o\al(＋,3)C[A.由题图可知，该反应为反应物总能量高于生成物总能量的放热反应，故A错误；B.由题图可知，过渡态1的相对能量高于过渡态2，物质的能量越高，越不稳定，所以过渡态1的稳定性小于过渡态2，故B错误；C.由题图可知，反应的焓变ΔH＝(－129.6－0)kJ·mol－1＝－129.6kJ·mol－1，故C正确；D.由题图可知，催化剂AuF、催化剂AuPFeq\o\al(＋,3)的活化能分别为109.34kJ·mol－1、26.3kJ·mol－1，则催化剂AuF的活化能大于催化剂AuPFeq\o\al(＋,3)的活化能，故D错误；故选C。]课时精练(六)活化能(本栏目内容，在学生用书中以独立形式分册装订！)[基础达标]题组一活化分子与有效碰撞理论1．(2022·云南宣威市第三中学高二期末)下列对化学反应速率增大原因的分析错误的是()A．升高温度，使反应物分子中活化分子百分数增大B．向反应体系中加入相同浓度的反应物，使活化分子百分数增大C．对有气体参加的化学反应，增大压强使容器容积减小，单位体积内活化分子数增多D．加入适宜的催化剂，使反应物分子中活化分子百分数增大B[A.升温，反应物分子的能量升高，则活化分子百分数增大，A正确；B.向反应体系中加入相同浓度的反应物，活化分子百分数不改变，B错误；C.对有气体参加的反应，增大压强使容器容积减小，则浓度增大，单位体积的活化分子数增多，C正确；D.加入适宜的催化剂，降低反应的活化能，使反应物中活化分子百分数增大，D正确；故选B。]2．下列说法不正确的是()A．增大反应物浓度，活化分子百分数增大，有效碰撞次数增多B．增大压强，单位体积内气体的活化分子数增多，有效碰撞次数增多C．升高温度，活化分子百分数增加，分子运动速度加快，有效碰撞次数增多D．催化剂能降低反应的活化能，提高活化分子百分数，有效碰撞次数增多A[增大反应物浓度，活化分子数目增多，但活化分子百分数不变。]题组二化学反应历程能量探析3．我国科研人员提出了由CO2和CH4转化为高附加值产品CH3COOH的催化反应历程。该历程如图所示。下列说法不正确的是()A．该反应中正反应的活化能比逆反应的小B．反应涉及的物质中，过渡态物质最不稳定C．①→②放出能量并形成了C—C键D．该反应中断裂反应物的化学键所需能量总和比形成生成物的化学键释放的能量总和大D[A.根据图中信息得到该反应是放热反应，正反应的活化能比逆反应的小，故A正确；B.根据能量越低越稳定分析，反应涉及的物质中，过渡态物质最不稳定，故B正确；C.①→②是反应物到生成物，反应放出能量并形成了C—C键，故C正确；D.该反应是放热反应，因此该反应中断裂反应物的化学键所需能量总和比形成生成物的化学键释放的能量总和小，故D错误。综上所述，答案为D。]4．(2022·安徽池州高二期中)过渡态理论认为：化学反应不是通过反应物分子的简单碰撞完成的。在反应物分子生成产物分子的过程中，首先生成一种高能量的活化配合物，高能量的活化配合物再进一步转化为产物分子。按照过渡态理论，NO2(g)＋CO(g)=CO2(g)＋NO(g)的反应历程如下，下列有关说法正确的是()A．第二步活化配合物之间的碰撞一定是有效碰撞B．活化配合物的能量越高，第一步的反应速率越快C．第一步反应需要吸收能量D．该反应的反应速率主要取决于第二步反应C[活化分子之间的碰撞不一定能发生反应，不一定是有效碰撞，故A项错误；活化配合物的能量越高，单位体积内的活化分子数目越少，有效碰撞的次数越小，第一步反应速率越慢，故B项错误；第一步反应断裂化学键，需要吸收能量，故C项正确；反应速率主要取决于慢反应的速率，故D项错误。]5．已知分解1molH2O2放出热量98kJ，在含少量I－的溶液中，H2O2分解的机理为H2O2＋I－=H2O＋IO－(慢)、H2O2＋IO－=H2O＋O2＋I－(快)。下列有关该反应的说法不正确的是()A．总反应中v(H2O2)∶v(O2)＝2∶1B．H2O2的分解速率与I－的浓度有关C．该反应的催化剂是I－，而不是IO－D．由于催化剂的加入降低了反应的活化能，使该反应活化能低于98kJ·mol－1D[总反应为2H2O2=2H2O＋O2↑，速率之比等于化学计量数之比，则总反应中v(H2O2)∶v(O2)＝2∶1，A正确；I－为催化剂，则H2O2的分解速率与I－的浓度有关，B正确；IO－为中间产物，该反应的催化剂是I－，C正确；催化剂可降低反应的活化能，但其活化能的大小不能确定，D错误。]题组三有关活化能的图像分析6．如图(Ea表示活化能)是CH4与Cl2生成CH3Cl的部分反应过程中各物质的能量变化关系图，下列说法正确的是()A．Cl·可由Cl2在高温条件下生成，是CH4与Cl2反应的中间产物B．升高温度，反应速率加快，但活化分子的百分数不变C．增大Cl2的浓度，既可提高反应速率，又可减小ΔHD．第一步反应的速率大于第二步反应A[CH4与Cl2生成CH3Cl的反应方程式为：CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CH3Cl＋HCl。A.Cl·由Cl2在光照条件下生成，是CH4与Cl2反应的“中间产物”，选项A正确；B.Ea1、Ea2分别为第一步反应、第二步反应所需活化能，升高温度，反应所需活化能不变，即Ea1、Ea2不变，但活化分子的百分数增多，反应速率加快，选项B错误；C.Cl2是该反应的反应物，增大反应物的浓度，反应速率增大，而反应的ΔH和反应的途径无关，只与反应的始态和终态有关，即增大氯气的浓度不影响ΔH的大小，选项C错误；D.第一步反应所需活化能Ea1大于第二步反应所需活化能Ea2，第一步反应单位体积内活化分子百分数低于第二步反应，故第二步反应速率更大，选项D错误。答案选A。]7．(2022·江西南昌大学附属中学高二期末)在含Fe3＋的S2Oeq\o\al(2－,8)和I－的混合溶液中，反应S2Oeq\o\al(2－,8)(aq)＋2I－(aq)=2SOeq\o\al(2－,4)(aq)＋I2(aq)的分解机理及反应过程中的能量变化为：步骤①：2Fe3＋(aq)＋2I－(aq)=I2(aq)＋2Fe2＋(aq)步骤②：2Fe2＋(aq)＋S2Oeq\o\al(2－,8)(aq)=2Fe3＋(aq)＋2SOeq\o\al(2－,4)(aq)下列有关该反应的说法正确的是()A．反应速率与Fe3＋的浓度有关B．Fe2＋是该反应的催化剂C．v(S2Oeq\o\al(2－,8))＝v(I－)＝v(I2)D．若不加Fe3＋，则正反应的活化能比逆反应的大A[由题中信息知Fe3＋为该反应的催化剂，所以反应速率与Fe3＋的浓度有关，A正确、B错误；由反应S2Oeq\o\al(2－,8)(aq)＋2I－(aq)=2SOeq\o\al(2－,4)(aq)＋I2(aq)可知，S2Oeq\o\al(2－,8)～2I－～I2，则2v(S2Oeq\o\al(2－,8))＝v(I－)＝2v(I2)，C错误；由图像可知该反应是放热反应，则正反应的活化能比逆反应的小，D错误。]8．某反应历程包含两个基元反应，能量变化如图所示(E为正值，单位：kJ·mol－1)。下列说法正确的是()A．该总反应的活化能Ea＝E1＋E3B．对于Ea>0的反应，必须加热才能进行C．该总反应的焓变ΔH＝－(E4＋E2－E1－E3)D．此条件下，基元反应的反应速率第二个大于第一个C[该反应的活化能为反应物的能量和过渡态Ⅱ的能量之差，即Ea＝E3－(E2－E1)，A错误；根据活化能不能判断反应发生的条件，B错误；焓变＝E(正反应活化能)－E(逆反应活化能)，所以ΔH＝E1＋E3－(E4＋E2)＝－(E4＋E2－E1－E3)，C正确；据题图可知第一个基元反应的活化能E1小于第二个基元反应的活化能E3，活化能越小反应速率越快，则此条件下，基元反应的反应速率第一个大于第二个，D错误。]9．N2O和CO是环境污染性气体，可在Pt2O＋表面转化为无害气体，其反应原理为N2O(g)＋CO(g)CO2(g)＋N2(g)ΔH，有关化学反应的物质变化过程及能量变化过程分别如图甲、乙所示。下列说法不正确的是()A．ΔH＝ΔH1＋ΔH2B．ΔH＝－226kJ·mol－1C．该反应正反应的活化能小于逆反应的活化能D．为了实现转化，需不断向反应器中补充Pt2O＋和Pt2Oeq\o\al(＋,2)D[①N2O(g)＋Pt2O＋(s)=Pt2Oeq\o\al(＋,2)(s)＋N2(g)ΔH1，②Pt2Oeq\o\al(＋,2)(s)＋CO(g)=Pt2O＋(s)＋CO2(g)ΔH2，根据盖斯定律，①＋②得到N2O(g)＋CO(g)CO2(g)＋N2(g)ΔH＝ΔH1＋ΔH2，故A正确；由题图分析可知，反应物的总能量高于生成物的总能量，反应为放热反应，反应焓变ΔH＝134kJ·mol－1－360kJ·mol－1＝－226kJ·mol－1，故B正确；正反应的活化能Ea＝134kJ·mol－1小于逆反应的活化能Eb＝360kJ·mol－1，故C正确；反应过程中Pt2O＋和Pt2Oeq\o\al(＋,2)参与反应后又生成，不需要补充，故D错误。][能力提升]10．用氢气还原氮氧化物的反应为2H2＋2NO=2H2O＋N2，该反应速率与反应物浓度之间满足关系：v＝k·cm(H2)·cn(NO)，其中k是一个常数，m、n的值可由实验测定。科研团队测定了该反应在不同投料关系时N2起始反应速率，数据列于下表：实验编号起始浓度/(×10－3mol·L－1)N2反应速率/(×10－3mol·L－1·s－1)NOH216.001.003.1926.002.006.3831.006.000.4842.006.001.92下列说法正确的是()A．m＝2、n＝1B．实验2中NO的平均反应速率约为1.28×10－3mol·L－1·s－1C．增大反应物浓度，活化分子百分数增大，有效碰撞次数增大D．与H2相比，NO浓度的变化对反应速率影响更为显著D[利用编号1和2的实验数据，eq\f(1,2m)＝eq\f(3.19,6.38)，可以求出m＝1，利用编号3和4的实验数据，eq\f(1,2n)＝eq\f(0.48,1.92)，可以求出n＝2，故A项错误；化学反应速率之比等于化学计量数之比，2v(N2)＝v(NO)，则NO的平均反应速率约为1.28×10－2mol·L－1·s－1，故B项错误；增大反应物浓度，活化分子数目增多，但是活化分子百分数不变，有效碰撞次数增大，故C项错误；n＝2，指数较大，对速率影响较大，或者经过数据对比，也可以得知，NO浓度的变化对反应速率影响更为显著，故D项正确。]11．(2022·江西宜春高二期末)回答下列问题：(1)已知1molN2(g)与适量O2(g)反应生成NO(g)，需吸收68kJ的热量，该反应的热化学方程式为_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)请认真观察下图，然后回答问题。①该反应的ΔH＝___________(用含E1、E2的代数式表示)。若向该反应中加入合适的催化剂，活化能__________(填“升高”“降低”或“不变”)，ΔH__________(填“升高”“降低”或“不变”)。②若该图表示2H2O2(l)2H2O(l)＋O2(g)ΔH＝－73.5kJ·mol－1，该反应的活化能为54.3kJ·mol－1，则其逆反应的活化能为______kJ·mol－1。(3)已知光照条件下，甲烷氯化反应是一个自由基型的取代反应。在链转移反应过程中，经历两步反应：(·CH3和Cl·分别表示甲基和氯原子)反应1：CH4(g)＋Cl·(g)→·CH3(g)＋HCl(g)反应2：·CH3(g)＋Cl2(g)→CH3Cl(g)＋Cl·(g)各物质的相对能量变化如图所示。①该链转移反应的反应速率由第___________步反应决定。②由图可知，过渡态结构的稳定性：过渡态1____过渡态2(填“<”“>”或“＝”)。解析：(1)1molN2(g)与适量O2(g)反应，生成NO(g)，吸收68kJ热量，反应吸热时焓变为正值，所以该反应的热化学方程式为N2(g)＋O2(g)=2NO(g)ΔH＝＋68kJ·mol－1；(2)①该反应的ΔH＝生成物的总能量－反应物的总能量＝(E2－E1)kJ/mol；催化剂可降低反应的活化能，但不改变始末态，ΔH不变；②ΔH＝正反应活化能－逆反应活化能＝54.3kJ·mol－1－x＝－73.5kJ·mol－1，x＝127.8kJ·mol－1；(3)①由题图可知，链转移反应的第1步活化能大，为慢反应，化学反应取决于慢反应，