活化能 導(dǎo)學(xué)案 高二上學(xué)期化學(xué)人教版（2019）選擇性必修1+

2.1.3活化能課標(biāo)定向1.知道化學(xué)反應(yīng)是有歷程的,認(rèn)識(shí)基元反應(yīng)活化能對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響。(證據(jù)推理與模型認(rèn)知)2.了解活化能的含義,會(huì)用碰撞理論解釋化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素,體會(huì)理論模型的構(gòu)建過程。(證據(jù)推理與模型認(rèn)知)【教材認(rèn)知·內(nèi)化必備知識(shí)】1.有效碰撞理論(1)基元反應(yīng):大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)往往經(jīng)過多個(gè)反應(yīng)步驟才能實(shí)現(xiàn)。其中每一步反應(yīng)都稱為基元反應(yīng)。(2)反應(yīng)機(jī)理:先后進(jìn)行的基元反應(yīng)反映了化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)歷程,反應(yīng)歷程又稱反應(yīng)機(jī)理。(3)基元反應(yīng)發(fā)生的先決條件:基元反應(yīng)發(fā)生的先決條件是反應(yīng)物的分子必須發(fā)生碰撞,但是并不是每一次分子碰撞都能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。(4)有效碰撞:(5)活化能和活化分子活化分子能夠發(fā)生有效碰撞的分子。對(duì)于某一化學(xué)反應(yīng)來說,在一定條件下,反應(yīng)物分子中活化分子的百分?jǐn)?shù)是一定的活化能活化分子具有的平均能量與反應(yīng)物分子具有的平均能量之差,叫做反應(yīng)的活化能(6)反應(yīng)物、生成物的能量與活化能的關(guān)系圖E1-E2是反應(yīng)熱,即ΔH=E1-E22.基元反應(yīng)過渡狀態(tài)理論基元反應(yīng)過渡狀態(tài)理論認(rèn)為,基元反應(yīng)在從反應(yīng)物到生成物的變化過程中要經(jīng)歷一個(gè)中間狀態(tài),這個(gè)狀態(tài)稱為過渡態(tài)。過渡態(tài)是反應(yīng)過程中能量最高的一種狀態(tài),過渡態(tài)能量與反應(yīng)物的平均能量的差值相當(dāng)于活化能[活化能(能壘)越高,此步基元反應(yīng)速率越慢]。例如,一溴甲烷與NaOH溶液反應(yīng)的過程可以表示為CH3Br+OH-→[Br…CH3…OH]→Br-+CH3OH3.有效碰撞理論對(duì)影響化學(xué)反應(yīng)速率因素的解釋濃度反應(yīng)物濃度增大→單位體積內(nèi)活化分子數(shù)增多→單位時(shí)間內(nèi)有效碰撞的次數(shù)增加→反應(yīng)速率增大;反之,反應(yīng)速率減小壓強(qiáng)增大壓強(qiáng)→氣體體積縮小→反應(yīng)物濃度增大→單位體積內(nèi)活化分子數(shù)增多→單位時(shí)間內(nèi)有效碰撞的次數(shù)增加→反應(yīng)速率增大;反之,反應(yīng)速率減小。即壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響,可轉(zhuǎn)化成濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響溫度升高溫度→活化分子的百分?jǐn)?shù)增大→單位時(shí)間內(nèi)有效碰撞的次數(shù)增加→反應(yīng)速率增大;反之,反應(yīng)速率減小催化劑使用催化劑→改變了反應(yīng)的歷程,反應(yīng)的活化能降低→活化分子的百分?jǐn)?shù)增大→單位時(shí)間內(nèi)有效碰撞的概率增加→反應(yīng)速率加快。圖示:[思考]活化分子間的碰撞一定能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)嗎?提示:不一定?；罨肿有枰诤线m的取向上碰撞才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?！举|(zhì)疑辨析】(1)增大反應(yīng)物的濃度,能夠增大活化分子的百分含量,所以反應(yīng)速率增大。(×)提示:增大反應(yīng)物的濃度,能夠增大單位體積內(nèi)活化分子總數(shù),但不能增大活化分子的百分含量。(2)催化劑能降低反應(yīng)所需的活化能,但ΔH不會(huì)發(fā)生變化。(√)提示:催化劑能降低反應(yīng)所需的活化能,但ΔH不會(huì)發(fā)生變化,ΔH只與始態(tài)和終態(tài)有關(guān),與反應(yīng)的路徑無關(guān)。(3)升高溫度,能夠增大單位體積內(nèi)活化分子數(shù)目,但不能增大活化分子的百分含量。(×)提示:升高溫度,能夠增大單位體積內(nèi)活化分子總數(shù),也能增大活化分子的百分含量。(4)發(fā)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夠的能量,發(fā)生有效碰撞?！竞献魈骄俊ば纬申P(guān)鍵能力】探究任務(wù):有效碰撞理論對(duì)影響化學(xué)反應(yīng)速率的外界因素的解釋【導(dǎo)學(xué)探究】為應(yīng)對(duì)環(huán)境問題,國家提出了綠水青山就是金山銀山的理念。氮氧化物的排放嚴(yán)重破壞臭氧層,NO催化O3分解的反應(yīng)機(jī)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)總反應(yīng):2O3(g)→3O2(g)其能量與反應(yīng)歷程的關(guān)系如圖所示。探究點(diǎn)一:知道基元反應(yīng)活化能與化學(xué)反應(yīng)速率關(guān)系(1)以上三步基元反應(yīng)活化能最大的是哪步?決速步是哪一步?提示:第一步活化能最大。活化能越大,反應(yīng)速率越慢,為決速步,所以決速步是第一步。探究點(diǎn)二:學(xué)會(huì)用碰撞理論解釋外界因素對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響(2)用有效碰撞理論解釋,為什么使用合適的催化劑能增大化學(xué)反應(yīng)速率?催化劑對(duì)正、逆反應(yīng)的反應(yīng)速率的改變程度是否相同?提示:使用合適的催化劑,能降低反應(yīng)的活化能,使更多的反應(yīng)物分子變成活化分子,從而增大了單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子中活化分子的數(shù)目,有效碰撞次數(shù)增多,反應(yīng)速率增大。催化劑能同等程度地改變正、逆反應(yīng)的反應(yīng)速率。【歸納總結(jié)】1.化學(xué)反應(yīng)速率與活化分子、有效碰撞的關(guān)系活化分子的百分?jǐn)?shù)越大,單位體積內(nèi)活化分子數(shù)越多,單位時(shí)間內(nèi)有效碰撞的次數(shù)越多,化學(xué)反應(yīng)速率越快。如圖所示:2.活化分子、有效碰撞與反應(yīng)速率的關(guān)系3.活化能與化學(xué)反應(yīng)速率的關(guān)系一個(gè)化學(xué)反應(yīng)往往由多步基元反應(yīng)完成,活化能越大的基元反應(yīng),反應(yīng)速率越慢?；罨茏畲蟮姆磻?yīng)為決速步?！踞槍?duì)訓(xùn)練】(2024·武漢高二檢測(cè))化學(xué)反應(yīng):2HI(g)===H2(g)+I2(g)ΔH實(shí)際上是經(jīng)過兩步基元反應(yīng)完成的:第一步:2HI→H2+2I·;第二步:……。該反應(yīng)過程的能量變化如圖所示,下列說法不正確的是()A.第一步反應(yīng)的逆反應(yīng)的活化能是(E5-E3)B.第二步基元反應(yīng)是2I·→I2C.分子有效碰撞概率最大的步驟對(duì)應(yīng)的基元反應(yīng)是第一步D.若使用催化劑,(E2-E1)不會(huì)發(fā)生變化【解析】選C。第一步反應(yīng)的逆反應(yīng)的活化能是(E5-E3),A項(xiàng)正確;總反應(yīng)減去第一步基元反應(yīng)可以得到第二步基元反應(yīng),B項(xiàng)正確;分子有效碰撞概率最大的步驟是活化能最小的步驟,由圖知,第二步的活化能最小,C項(xiàng)不正確;ΔH=E2-E1,催化劑的使用不改變?chǔ),D項(xiàng)正確。方法導(dǎo)引解決有關(guān)活化能題目的規(guī)律方法(1)注意活化能最大的步驟為決速步。(2)求反應(yīng)的ΔH要用始態(tài)和終態(tài)的相對(duì)能量求算。(3)判斷基元反應(yīng)的步數(shù)時(shí)要看波峰,有幾個(gè)波峰就有幾步基元反應(yīng)?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】1.化學(xué)反應(yīng)有多種理論,圖1為有效碰撞理論,圖2為使用催化劑和不使用催化劑時(shí)能量變化的過渡態(tài)理論。下列說法錯(cuò)誤的是()A.圖1中Z表示有效碰撞B.通過圖1可知:有效碰撞時(shí)反應(yīng)物分子要有合適的取向C.圖2中虛線代表有催化劑時(shí)的反應(yīng)過程D.通過圖2可知:催化劑能改變反應(yīng)的焓變【解析】選D。A.發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的碰撞為有效碰撞,Z中生成了新的物質(zhì),為有效碰撞,A正確;B.通過圖1可知:只有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的碰撞為有效碰撞,反應(yīng)物分子要有合適的取向,B正確;C.圖2中虛線的活化能低,反應(yīng)過程也改變了,為使用催化劑的反應(yīng)過程,C正確;D.催化劑能改變反應(yīng)過程,降低活化能,但不能改變反應(yīng)的焓變,D錯(cuò)誤。2.一定條件下,向某密閉容器中充入HI,發(fā)生反應(yīng):2HI(g)H2(g)+I2(g)ΔH>0,達(dá)到平衡狀態(tài)。該反應(yīng)經(jīng)過以下兩步基元反應(yīng)完成:①2HI→H2+2I·ΔH1②2I·→I2ΔH2下列分析不正確的是()A.ΔH1<0、ΔH2>0B.反應(yīng)物的分子必須發(fā)生有效碰撞才能發(fā)生基元反應(yīng)C.縮小容器體積,①的反應(yīng)速率增大D.加入催化劑,能降低該反應(yīng)的活化能【解析】選A。A.基元反應(yīng)②是形成化學(xué)鍵的過程,反應(yīng)放熱,ΔH2<0,總反應(yīng)的ΔH=ΔH1+ΔH2>0,故ΔH1>0,A選項(xiàng)錯(cuò)誤;B.反應(yīng)物的分子必須發(fā)生有效碰撞,使化學(xué)鍵斷裂,才能發(fā)生基元反應(yīng),B選項(xiàng)正確;C.縮小容器體積,使HI的濃度增大,①的反應(yīng)速率增大,C選項(xiàng)正確;D.加入催化劑,能降低該反應(yīng)的活化能,D選項(xiàng)正確。【鏈接高考·明晰高考方向】【真題示例】【典例】(2021·山東等級(jí)考)18O標(biāo)記的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中發(fā)生水解,部分反應(yīng)歷程可表示為+OH-+CH3O-,能量變化如圖所示。已知為快速平衡,下列說法正確的是()A.反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ為決速步B.反應(yīng)結(jié)束后,溶液中存在18OH-C.反應(yīng)結(jié)束后,溶液中存在CH3D.反應(yīng)Ⅰ與反應(yīng)Ⅳ活化能的差值等于圖示總反應(yīng)的焓變[解題思維]解答本題的思維流程如下:提取關(guān)鍵點(diǎn)(1)18O標(biāo)記的乙酸甲酯在足量NaOH溶液中發(fā)生水解;(2)反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ為決速步轉(zhuǎn)化知識(shí)點(diǎn)(1)酯合成的規(guī)律是“酸脫羥基醇脫氫”;(2)決速步為活化能最大的基元反應(yīng)排除障礙點(diǎn)求總反應(yīng)焓變時(shí),要用反應(yīng)物總焓與生成物總焓來計(jì)算【解析】選B。A.一般來說,反應(yīng)的活化能越高,反應(yīng)速率越慢,由圖可知,反應(yīng)Ⅰ和反應(yīng)Ⅳ的活化能較高,因此反應(yīng)的決速步為反應(yīng)Ⅰ、Ⅳ,故A錯(cuò)誤;B.反應(yīng)Ⅰ為加成反應(yīng),而為快速平衡,反應(yīng)Ⅱ的成鍵和斷鍵方式為或,后者能生成18OH-,因此反應(yīng)結(jié)束后,溶液中存在18OH-,故B正確;C.反應(yīng)Ⅲ的成鍵和斷鍵方式為或,因此反應(yīng)結(jié)束后溶液中不會(huì)存在CH318OH,故C錯(cuò)誤;D.該總反應(yīng)對(duì)應(yīng)反應(yīng)物的總能量高于生成物總能量,總反應(yīng)為放熱反應(yīng),因此和CH3O-的總能量與和OH-的總能量之差等于圖示總反應(yīng)的焓變,故D錯(cuò)誤?！緦?duì)點(diǎn)演練】1.HCOOH在Pd催化劑表面脫氫的反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)歷程與能量的關(guān)系如圖所示:下列說法正確的是()A.在Pd催化劑表面HCOOH脫氫反應(yīng)的ΔH>0B.在Pd催化劑表面解離O—H比C—H的活化能低C.用DCOOH或HCOOD代替HCOOH,得到的產(chǎn)物都有HD和CO2D.在歷程Ⅰ~Ⅴ中,生成Ⅴ的反應(yīng)速率最快【解析】選C。由圖示知,甲酸在Pd催化劑表面脫氫反應(yīng),反應(yīng)物的總能量高于最終產(chǎn)物的總能量,放熱,即ΔH<0,A錯(cuò)誤;由圖可知,Ⅰ→Ⅱ解離O—H,活化能為44.7kJ·mol-1,Ⅲ→Ⅳ解離C—H,活化能為36.7kJ·mol-1-8.9kJ·mol-1=27.8kJ·mol-1,B錯(cuò)誤;由圖可知,HCOOH在Pd催化劑下,C—H、O—H均發(fā)生斷裂,最終生成H2和CO2,因此用DCOOH或HCOOD代替HCOOH,得到的產(chǎn)物都有HD和CO2,C正確;由圖可知,生成Ⅴ的過程活化能最高,則反應(yīng)速率最慢,D錯(cuò)誤。2.(2023·東莞高二檢測(cè))我國科研人員研究了在金催化劑表面上水煤氣變換反應(yīng):CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的反應(yīng)歷程,如圖所示,其中吸附在金催化劑表面上的物種用·標(biāo)注。下列說法錯(cuò)誤的是()A.化學(xué)反應(yīng)CO·+H2O(g)===COOH·+H·的ΔH>0B.步驟②中只有極性鍵O—H鍵斷裂C.升高溫度,該反應(yīng)過渡態(tài)的能壘(活化能)會(huì)增大D.水煤氣變換反應(yīng)的速率主要決定于過渡態(tài)Ⅱ【解析】選C。根據(jù)圖示,相對(duì)能量由-0.32eV→-0.16eV的反應(yīng)為CO·+H2O(g)===COOH·+H·,能量升高,故該反應(yīng)是吸熱反應(yīng),ΔH>0,故A正確;B.步驟②的變化為H2O·→OH·+H·,只有極性鍵O—H鍵斷裂,故B正確;C.升高溫度,不影響該反應(yīng)過渡態(tài)的能壘(活化能),故C錯(cuò)誤;D.活化能的大小可以反映化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的難易程度,活化能越小則反應(yīng)速率越快,由圖可知過渡態(tài)Ⅰ的活化能小于過渡態(tài)Ⅱ,故過渡態(tài)Ⅱ更難反應(yīng),因而水煤氣轉(zhuǎn)化過程中的速率主要決定于過渡態(tài)Ⅱ,故D正確。【課堂檢測(cè)·診斷學(xué)習(xí)效果】1.下列說法中正確的是()A.活化分子具有的能量是活化能B.活化分子的總數(shù)越多,反應(yīng)速率越大C.某一反應(yīng)的活化分子的百分?jǐn)?shù)是個(gè)定值D.單位時(shí)間內(nèi)有效碰撞次數(shù)越多,反應(yīng)速率越大【解析】選D。活化分子具有的平均能量與反應(yīng)物分子具有的平均能量之差叫做活化能,A項(xiàng)錯(cuò)誤;單位體積內(nèi)活化分子總數(shù)越多,有效碰撞次數(shù)越多,反應(yīng)速率越大,B項(xiàng)錯(cuò)誤;只有在一定條件下,活化分子在反應(yīng)物中所占的百分?jǐn)?shù)才是定值,C項(xiàng)錯(cuò)誤。2.已知反應(yīng):2NO(g)+Br2(g)===2NOBr(g)ΔH=-akJ·mol-1(a>0),其反應(yīng)機(jī)理如下:①NO(g)+Br2(g)===NOBr2(g)快②NO(g)+NOBr2(g)===2NOBr(g)慢下列有關(guān)該反應(yīng)的說法正確的是()A.該反應(yīng)的速率主要取決于②的快慢B.NOBr2是該反應(yīng)的催化劑C.正反應(yīng)的活化能比逆反應(yīng)的活化能大akJ·mol-1D.增大Br2(g)濃度能增大活化分子百分?jǐn)?shù),加快反應(yīng)速率【解析】選A。反應(yīng)速率主要取決于慢的一步,所以該反應(yīng)的速率主要取決于②的快慢,故A正確;NOBr2是反應(yīng)過程中的中間產(chǎn)物,不是該反應(yīng)的催化劑,故B錯(cuò)誤;由于該反應(yīng)為放熱反應(yīng),說明反應(yīng)物總能量高于生成物總能量,所以正反應(yīng)的活化能比逆反應(yīng)的活化能小akJ·mol-1,故C錯(cuò)誤;增大Br2(g)濃度,活化分子百分?jǐn)?shù)不變,但單位體積內(nèi)的活化分子數(shù)目增多,所以能加快反應(yīng)速率,故D錯(cuò)誤?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】已知反應(yīng)2NO(g)+2H2(g)N2(g)+2H2O(g)ΔH=-752kJ·mol-1的反應(yīng)機(jī)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)下列有關(guān)說法錯(cuò)誤的是()A.增大H2(g)的濃度能增大單位體積內(nèi)氣體的活化分子數(shù),有效碰撞次數(shù)增多,速率加快B.該反應(yīng)的速率主要取決于②的快慢C.N2O2和N2O是該反應(yīng)的催化劑D.總反應(yīng)中逆反應(yīng)的活化能比正反應(yīng)的活化能大【解析】選C。A.增大反應(yīng)物濃度能增大單位體積內(nèi)氣體的活化分子數(shù),有效碰撞次數(shù)增多,速率加快,故A正確;B.總反應(yīng)速率取決于反應(yīng)較慢的②,故B正確;C.由題給反應(yīng)機(jī)理可知,反應(yīng)過程中的N2O2和N2O是中間產(chǎn)物,不是催化劑,故C錯(cuò)誤;D.總反應(yīng)為放熱反應(yīng),則總反應(yīng)中逆反應(yīng)的活化能比正反應(yīng)的活化能大,故D正確。3.汽車尾氣中的氮氧化物是城市空氣的主要污染物之一,如何降低汽車尾氣污染已成為環(huán)保領(lǐng)域的熱點(diǎn)?；卮鹣铝袉栴}:(1)科技工作者用甲烷將氮氧化物還原為N2和H2O,涉及的反應(yīng)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則CH4(g)還原NO(g)生成N2(g)的熱化學(xué)方程式為________________。

(2)使用氫能源可以減少汽車尾氣中有害氣體的排放。利用甲醇與水蒸氣反應(yīng)可以制備氫氣: