08能量变化能垒图解题模型（原卷版）

能量变化能垒图解题模型在化学反应过程中，反应前后能量会发生变化。能垒指的是由于化学反应的成功发生对于反应物到达能量高的过渡态的过程的依赖性而产生的一个“阻碍”，只有一部分有足够能量的分子才能跨越能垒进行反应，每一个小的分步反应的从较低能量到过渡态所吸收的能量，可以理解成ΔHt图中“爬坡”的阶段，这些阶段的吸收的能量都是能垒。第一步：通览全图→理清坐标含义能量变化能垒图的横坐标一般表示反应的历程，横坐标的不同阶段表示一个完整反应的不同阶段；纵坐标表示能量的变化；分清反应物和目标产物。第二步：细看变化→分析各段反应仔细观察曲线(或直线)的变化趋势，分析每一阶段发生的反应是什么，找出各步反应历程的反应物和生成物，各阶段反应是放热还是吸热，能量升高的吸热，能量下降为放热；不同阶段的最大能垒即该反应的活化能。第三步：综合分析→做出合理推断综合分析所有反应历程，确定总反应的反应物、生成物、中间产物、循环物质等，整合各项信息，紧扣题目要求，做出合理判断。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。【例1】(2022•湖南选择性考试)反应物(S)转化为产物(P或P·Z)的能量与反应进程的关系如下图所示：下列有关四种不同反应进程的说法正确的是()A．进程Ⅰ是放热反应 B．平衡时P的产率：Ⅱ>ⅠC．生成P的速率：Ⅲ>Ⅱ D．进程Ⅳ中，Z没有催化作用【答案】AD【解析】A项，由图中信息可知，进程Ⅰ中S的总能量大于产物P的总能量，因此进程I是放热反应，A说法正确；B项，进程Ⅱ中使用了催化剂X，但是催化剂不能改变平衡产率，因此在两个进程中平衡时P的产率相同，B说法不正确；C项，进程Ⅲ中由S•Y转化为P•Y的活化能高于进程Ⅱ中由S•X转化为P•X的活化能，由于这两步反应分别是两个进程的决速步骤，因此生成P的速率为Ⅲ<Ⅱ，Ｃ说法不正确；D项，由图中信息可知，进程Ⅳ中S吸附到Z表面生成S•Z，然后S•Z转化为产物P•Z，由于P•Z没有转化为P＋Z，因此，Z没有表现出催化作用，D说法正确；故选AD。【例2】(2019•新课标Ⅰ卷)水煤气变换[CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)]是重要的化工过程，主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。回答下列问题：(3)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。可知水煤气变换的ΔH________0(填“大于”“等于”或“小于”)，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_______________________。【答案】(3)小于2.02COOH+H+H2O===COOH+2H+OH或H2O===H+OH【解析】(3)根据水煤气变换[CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)]并结合水煤气变换的反应历程相对能量可知，CO(g)+H2O(g)的能量(0.32eV)高于CO2(g)+H2(g)的能量(0.83eV)，故水煤气变换的ΔH小于0；活化能即反应物状态达到活化状态所需能量，根据变换历程的相对能量可知，最大差值为：其最大能垒(活化能)E正=1.86(0.16)eV=2.02eV；该步骤的反应物为COOH+H+H2O===COOH+2H+OH；因反应前后COOH和1个H未发生改变，也可以表述成H2O===H+OH。活化能是对能垒的一种量化描述，它代表着反应物到过渡态的具体能量差值，在这个ΔHt图中，最高点(也就是能量最大的过渡态)到起始点(反应物)所吸收的能量。也就是，活化能越高，能垒越高，反应速率越慢，反之亦然。教材中的能量变化图示如下：反应历程与活化能催化剂对反应历程与活化能影响人教版新教材鲁科版新教材苏教版(1)反应历程中的最大能垒是指正反应过程中最大相对能量的差值，可以用估算法的方法进行确定；(2)能垒越大，反应速率越小，即多步反应中能垒最大的反应为决速反应；(3)相同反应物同时发生多个竞争反应，其中能垒越小的反应，反应速率越大，产物占比越高。1．(2023·山东省济南市统考一模)研究表明，用V2O5作催化剂促进水分解时存在两种不同的路径，分解过程中的部分反应历程如图所示(物质中原子之间的距离单位为)。下列说法错误的是()A．水的分解反应为吸热反应B．反应历程中，钒原子的杂化方式发生改变C．IM2中，距离为“2.174和“2.390”的原子之间作用力是氢键D．适当升高温度，IM2→FS3的正反应速率增大的程度小于逆反应速率增大的程度2．(2023届·甘肃省永昌县高三第一次模拟考试)我国学者利用催化剂催化丙烷氧化脱氢的历程如图(吸附在催化剂表面的物质用标注)。下列说法正确的是()A．反应历程中第一步化学反应为决速步骤B．催化剂改变了丙烷氧化脱氢的焓变(ΔH)C．过渡态物质的稳定性：过渡态2小于过渡态1D．吸附过程为吸热过程3．(2022·河南省宝丰县第一高级中学高三质检)在亚纳米金属钯(Pd)团簇作用下，过氧化氢可以直接将苯高效催化转化为苯酚，催化剂中掺杂碱金属离子可改变催化能力，反应历程如图(*表示吸附态，TS表示过渡态)，下列说法错误的是()A．苯与H2O2反应生成苯酚是放热反应B．反应历程中，存在反应+O*→C．使用Pd－Na+催化剂后，每一步的产物均比使用Pd催化剂更稳定D．其他条件相同时，使用掺杂Na+的催化剂，单位时间内可得更多苯酚产品4．(2023·湖南省益阳市高三质量检测)研究CH3I与氯自由基(用Cl∗表示)的反应有助于保护臭氧层。已知CH3I与Cl∗反应有4条可能的反应路径，如图所示。图中TS表示过渡态，IM表示中间体。下列说法中正确的是()A．相同条件下，路径①的反应速率最快B．路径④属于放热反应C．路径②CH3I*+*=CH3*+I是基元反应D．过渡态中最稳定的是TS1，产物最稳定的是路径④的5．(2023·河北省曲阳县第一高级中学高三摸底考试)利用水煤气(CO、H2)制备甲烷(CH4)的热化学方程式为CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)△H。如图为在钴催化剂表面上进行该反应的历程，其中吸附在钴催化剂表面上的物种用*标注。下列说法正确的是()A．该反应的ΔH=243.5kJ·mol1B．反应过程中发生极性键和非极性键的断裂与生成C．决定反应速率快慢的反应为CO*+2H*+2H2(g)=C*+O*+2H*+2H2(g)D．若使用更高效催化剂，则该反应的ΔH的绝对值将增大6．(2022·重庆市南开中学高三模拟检测)苯和液溴反应进程中的能量变化如图所示。已知：①断裂化学键所需要的能量()：413276194366②③下列叙述不正确的是()A．该反应的 B．第二步是该反应的决速步骤C．该反应的原子利用率约为 D．可用溶液除去产物溴苯中混有的Br27．(2022·重庆市主城区高三二模)苯与Br2的催化反应历程如下图所示。下列说法正确的是()A．苯与Br2生成的反应为吸热反应B．上图中，苯与Br2的催化反应生成了溴苯、邻二溴苯C．从图中第III步反应所给信息看，生成为主要反应D．由转化为的过程中有极性键的断裂与形成8．(2022·上海市敬业中学高三模拟)H2(g)+2ICl(g)→2HCl(g)+I2(g)能量曲线如图。描述正确的是()A．反应①为放热反应，反应②为吸热反应B．若加入催化剂可降低反应热C．热化学方程式为H2(g)+2ICl(g)→2HCl(g)+I2(g)218kJD．若反应的生成物为2HCl(g)+I2(s)，则反应热数值将变大9．(2022·重庆市普通高中高三学业水平等级考试)“天朗气清，惠风和畅。”研究表明，利用Ir+可催化消除大气污染物N2O和CO，简化中间反应进程后，相对能量变化如图所示。已知CO(g)的燃烧热∆H=283kJ·mol1，则2N2O(g)=2N2(g)+O2(g)的反应热∆H(kJ·mol1)为()A．152 B．76 C．+76 D．+15210．(2022·北京市101中学三模)下图是计算机模拟的在催化剂表面上水煤气变化的反应历程。吸附在催化剂表面的物种用“*”标注。下列说法正确的是()A．①表示CO和H2O从催化剂表面脱离的过程B．②和④中化学键变化相同，因此吸收的能量相同C．由图可知CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)为吸热反应D．相同条件下，反应速率④>②11．(2022·江苏省扬州中学三模)CO2催化加氢制甲醇有利于减少CO2的排放，实现“碳达峰”，其反应可表示为：CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(g)+H2O(g)ΔH=−49kJ•mol−1。CO2催化加氢制甲醇的反应通过如下步骤来实现：①CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g)ΔH1=41kJ•mol−1②CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)ΔH2反应过程中各物质的相对能量变化情况如图所示。下列说法不正确的是()A．步骤①反应的ΔS＞0B．步骤②反应的ΔH2=−90kJ•mol−1C．CO2催化加氢制甲醇的总反应速率由步骤②决定D．升高温度，各步骤的正、逆反应速率均增大12．1，3丁二烯与HBr加成可产生两种不同产物，反应历程如图所示。下列说法错误的是()。A．1，4加成产物比1，2加成产物稳定B．反应生成1，4加成产物的趋势更大C．为该反应的中间产物D．该反应的反应速率取决于第二步反应13．我国科学家使用铜催化剂将N，N二甲基甲酰胺[(CH3)2NCHO，简称DMF]转化为三甲胺。结合实验与计算机模拟结果，研究单个DMF分子在铜催化剂表面的反应历程如图所示(*表示物质吸附在铜催化剂上)。下列说法正确的是()。A．该历程中有极性键和非极性键的断裂B．该历程中的最大能垒(活化能)为0.93eVC．铜催化剂的作用是提高DMF的平衡转化率D．该反应为吸热反应14．NO有毒，是一种大气污染物，科学家利用一种催化剂使NO在其表面分解，反应历程如图所示(TS表示反应中的过渡态)。下列有关说法中正确的是()。A．NO分解的反应为吸热反应B．3→4反应为分解反应的决速步骤C．五种中间产物中TS5最稳定D．催化剂能够使该反应的活化能降低，反应热减小15．由X、Y转化为M的反应历程如图所示，下列说法错误的是A．①→②的总过程放热B．M是CH3COOHC．反应过程中形成CH键D．反应X＋Y→M的原子利用率为100%16．CO2选择性加氢制甲醇是解决温室应、发展绿色能源和实现经济可持续发展的重要途径之一。下图是CO2催化加氢的反应机理图(“*”表示微粒吸附在催化剂表面)。有关说法错误的是A．状态②、④和⑥为反应的过渡态B．状态A到状态B的变化不能说明H2断键变成氢原子要放出能量C．状态①到③发生的反应方程式为：CO2*+H=HCOO*D．更改催化剂不会改变状态③到状态④的能量大小17．固溶体作为金属催化剂，能有效促进电化学还原，反应产生CH4和C2H4的共同中间体*CO在催化剂表面的反应机理如图所示。下列说法错误的是A．固溶体催化剂对生成CH4有较高选择性B．制约CO2还原为C2H4反应速率的是*CHCHO→*CCOHC．由*CO生成*OH的反应为*CO+5H++5*OHD．*CHO→*CH3O只有化学键的形成18．(2023·广东省揭阳市普通高中高三质量检测)CH键活化是有机反应中的“圣杯”，图中表示在PtRu金属团簇上气态CH3OH转化为HCHO的部分反应路径，Ⅰ代表第x个中间产物，TS代表第x个过渡态。下列说法正确的是()A．该过程中整个体系放热，而且熵增B．生成最稳定产物的反应能垒为48.6kJ·molC．在生成Ⅰ3产物的两个过渡态中，都有CH键的断裂D．CH3OH分子脱去的两个H原子都吸附在Pt上更稳定19．利用污泥燃烧产生的还原性气体(NH3、CO等)也可还原烟气中的NOx。CO还原NO的反应历程中相对能量变化如图：该历程中最大能垒(活化能)E正=____kJ·mol1，该步骤的化学方程式是____。20．中科院大连化物所路芳研究员团队设计并制备了一种介孔二氧化硅纳米球催化剂，可通过催化断裂生物质中键和键，而将木质纤维素生物质直接高效转化为天然气，生物质衍生醇1丙醇和2丙醇在催化剂表面的反应历程如图所示：2丙醇转化为1丙醇的反应属于_______(填“吸热”或“放热”)反应，由CH3CHOHCH3(g)制备CH4(g)的反应历程中最大能垒(活化能)E正=_______。21．(1)CO2的回收与利用是科学家研究的热点课题，可利用CH4与CO2制备“合成气”(CO、H2)。科学家提出制备“合成气”反应历程分两步：反应①：CH4(g)C(ads)+2H2(g)(慢反应)反应②：C(ads)+CO2(g)2CO(g)(快反应)上述反应中C(ads)为吸附性活性炭，反应历程的能量变化如图1：CH4与CO2制备“合成气”的热化学方程式为。能量变化图中：E5+E1(填“>”、“<”或“=”)E4+E2。

(2)我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究C6H6(g)+CH3OH(g)C7H8(g)+H2O(g)在固体酸(HB)催化剂表面进行的反应历程如图2所示。其中吸附在固体酸(HB)表面的物种用*标注。①该反应的ΔH=kJ·mol1。

②C6H6*在催化剂表面转化为C7H8*22．(1)CH3OH的氧化反应有多种途径。我国学者通过计算机模拟，研究了在有无催化剂存在的条件下甲醇氧化的反应历程(如图1所示)，回答下列问题：①甲醇氧化生成甲醛的焓变(ΔH)(填“大于”或“小于”)0。

②没有催化剂的条件下，甲醇氧化生成二氧化碳比生成CO的趋势