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第二章 化学反应速率
第一节 化学反应速率
第2课时 活化能、反应机理及图像分析
学习目标
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；知道催化剂可以改变反应历程，能从调控化学反应速率的角度分析和选择反应条件。
2.能用简单碰撞理论说明反应条件对化学反应速率的影响，体会理论模型的建构过程，强化模型认知意识。
我们知道，浓度、温度、压强及催化剂会影响化学反应速率,这些从宏观上都已得到证实，如何从微观上来解释呢？
活化能和简单碰撞理论
情境引入
基元反应
例如：反应 2HI === H2+I2
第一步：2HI H2+2 I·
第二步：2I· I2
反应历程
自由基：带有单电子的原子或原子团。
研究发现，大多数的化学反应并不是一步完成的，而往往经过多个反应步骤才能实现。每一步反应都称为基元反应。
这两个先后进行的基元反应反映了2HI=H2+I2的反应历程。
反应历程又称反应机理。
任务一 基元反应与反应历程
由反应物微粒一步直接实现的化学反应称为基元反应。某化学反应是通过三步基元反应实现：
①Ce4＋＋Mn2＋―→Ce3＋＋Mn3＋；
②Ce4＋＋Mn3＋―→Ce3＋＋Mn4＋；
③Ti＋＋Mn4＋―→Ti3＋＋Mn2＋。由此可知：
(1)该反应的总反应的方程式为__________________________。
(2)该反应的催化剂是 。
2Ce4＋＋Ti＋===2Ce3＋＋Ti3＋
Mn2＋
【课堂练习1】
有效碰撞理论
1．有效碰撞理论
(1)基元反应发生的先决条件：反应物的分子必须发生碰撞.
气体分子无规则高速运动
彼此碰撞（每秒约1028次）
有效碰撞
无效碰撞
任务二 碰撞理论与活化能
有效碰撞理论
(2)有效碰撞：能够发生化学反应的碰撞。
有效碰撞发生的条件
反应物分子必须具有一定的能量
合适的取向
碰撞时
能量不足
碰撞时
取向不合适
有效碰撞
任务二 碰撞理论与活化能
有效碰撞理论
(2)有效碰撞：能够发生化学反应的碰撞。
有效碰撞发生的条件
反应物分子必须具有一定的能量
合适的取向
力道不足
取向不对
力道、取向恰好
任务二 碰撞理论与活化能
有效碰撞理论
(3)活化能与活化分子
①活化分子：具有足够的能量，能够发生有效碰撞的分子。
活化分子百分数=
活化分子数
分子总数
100%
任务二 碰撞理论与活化能
×
(3)活化能与活化分子
②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。
能量
反应物
生成物
E1
活化能
E2
活化分子
ΔH
活化分子变成生成物分子放出的能量
反应过程
任务二 碰撞理论与活化能
有效碰撞理论
2．有效碰撞与反应速率的关系
浓度、压强、温度和催化剂
单位体积内活化分子的多少
单位时间内有效碰撞次数的多少
化学反应速率的快慢
决定
决定
决定
合适的取向
影响
任务二 碰撞理论与活化能
解释浓度对化学反应速率的影响
其它条件不变时
增大反应物浓度
活化分子
分子总数:20
活化分子数:6
活化分子百分数:30%
分子总数:10
活化分子数:3
活化分子百分数:30%
其它条件不变时，增大反应物浓度
单位体积内分子总数目增加，
单位体积内活化分子数增加
单位时间有效碰撞次数增加
化学反应速率增大
（活化分子百分数不变）
任务三 碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
解释压强对化学反应速率的影响
其它条件不变时，增大压强
单位体积内分子总数目增加，
单位体积内活化分子数增加
单位时间有效碰撞次数增加
化学反应速率增大
其它条件不变时
增大压强
活化分子
（活化分子百分数不变）
任务三 碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
解释温度对化学反应速率的影响
其它条件不变时
升高温度
活化分子
其它条件不变时，升高温度
单位体积分子内总数目不变，单位体积活化分子数增加
单位时间有效碰撞次数增加
化学反应速率增大
（活化分子百分数增加）
任务三 碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
解释温度对化学反应速率的影响
任务三 碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
科学研究表明，对于许多反应而言，一般温度每升高10 K，其反应速率可增加2~4倍。在实验室或工业生产中，常采用加热的方法使化学反应在较高的温度下进行，以提高反应速率。
对吸热反应、放热反应都适用，且不受反应物状态的限制。
温度对反应速率的影响规律：
过渡态理论：
反应物分子并不只是通过简单的碰撞直接形成产物，而是必须经过一个形成活化络合物的过渡状态，并且达到这个过渡状态需要一定的活化能。
这与爬山类似，山的最高点便是过渡态。
解释催化剂对化学反应速率的影响
任务三 碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
更多的化学反应过程分为多步进行
例如：2HI H2 + I2
第一步： 2HI → 2I + H2
第二步： 2I → I2
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。
解释催化剂对化学反应速率的影响
任务三 碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
有催化剂参与的反应，活化能（Ea1）较小，则反应速率较大；
而没有催化剂参与的反应，活化能（Ea2）较大，则反应速率较小。
解释催化剂对化学反应速率的影响
任务三 碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
解释催化剂对化学反应速率的影响
研究表明，催化剂可以改变反应历程，改变反应的活化能。
使用催化剂
单位时间有效碰撞次数增加
化学反应速率增大
降低活化能
（活化分子百分数增加）
单位体积内分子总数目不变，
单位体积内活化分子数增加
任务三 碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
2、催化剂有选择性，不同的化学反应的催化剂不相同，催化剂具有一定的活化温度。
注意
1、催化剂对可逆反应的正、逆反应的速率影响相同。
催化剂用于汽车尾气的净化
解释催化剂对化学反应速率的影响
任务三 碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
任务三 碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
条件变化 分子 总数 活化分子数目 活化 分子百分数 单位体积内活化分子数目 单位时间/体积内有效碰撞次数 化学反应速率
增大 浓度
增大 压强
升高 温度
使用 催化剂
小结
增加
增加
不变
增加
增加
增大
增大
增大
增大
不变
不变
不变
增加
增加
不变
增加
增加
不变
增加
增加
增加
增加
增加
增加
任务三 碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
下列对化学反应速率增大原因的分析错误的是( )
A.对于有气体参加的化学反应，增大压强使容器体积减小，单位体积内活化分子数增多
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.升高温度，使反应物分子中活化分子百分数增大
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
【课堂练习2】
关于有效碰撞理论，下列说法正确的是( )
A．活化分子一定能发生有效碰撞
B．反应物分子之间的碰撞一定会引起化学键的断裂
C．有效碰撞是活化分子在一定的方向上的碰撞
D．发生有效碰撞的分子具有最高的能量
C
【课堂练习3】
1.活化能-反应历程图像及分析
(1)在无催化剂的情况下:E1为正反应的活化能;E2为逆反应的活化能;E1-E2为此反应的焓变(ΔH)。
(2)有催化剂时,总反应分成了两个反应步骤,反应①为吸热反应,产物为总反应的中间产物,反应②为放热反应,总反应为放热反应。
(3)催化剂的作用:降低E1、E2,但不影响ΔH,反应是放热反应还是吸热反应取决于起点(反应物)能量和终点(生成物)能量的相对大小。
任务四 化学反应机理（历程）及分析
活泼自由基与氧气的反应一直是关注的热点。HNO自由基与O2反应过程的能量变化如图所示。下列说法正确的是(　　)
A．该反应为吸热反应
B．产物的稳定性：P1>P2
C．该历程中最大正反应的活化能
E正＝186.19 kJ·mol－1
D．相同条件下，由中间产物Z转化为
产物的速率：v(P1)C
【课堂练习4】
(2023·湖北卷,19节选)纳米碗C40H10是一种奇特的碗状共轭体系。高温条件下,C40H10可以由C40H20分子经过连续5步氢抽提和闭环脱氢反应生成。C40H20(g) C40H18(g)+H2(g)的反应机理和能量变化如下:
【课堂练习5】
(1)已知C40Hx中的碳氢键和碳碳键的键能分别为431.0 kJ·mol-1和298.0 kJ·mol-1,H—H键能为436.0 kJ·mol-1。估算C40H20(g) C40H18(g)+H2(g)的ΔH=________ kJ·mol-1。
(2)图示历程包含________个基元反应,其中速率最慢的是第_______个。
+128.0
3
3
解析 (1)从结构分析,反应中断裂两条碳氢键,形成一条碳碳键和H—H。ΔH=431.0 kJ·mol-1×2-298.0 kJ·mol-1-436.0 kJ·mol-1=+128.0 kJ·mol-1。
(2)基元反应是指在反应中一步直接转化为产物的反应,从图上看包含3个基元反应,其中第3步活化能最大,故该步反应速率最慢。
(2022·广东卷,19节选)Cr2O3催化丙烷脱氢过程中,部分反应历程如图, X(g)→Y(g)过程的焓变为________________(列式表示)。
E1-E2+ΔH+E3-E4
解析 设反应历程中第一步的产物为M,第二步的产物为N,则X→M　ΔH1=E1-E2,M→N　ΔH2=ΔH,N→Y　ΔH3=E3-E4,根据盖斯定律可知, X(g)→Y(g)的焓变为ΔH1+ΔH2+ΔH3=E1-E2+ΔH+E3-E4。
【课堂练习6】
(2021·广东卷,19节选)一定条件下,CH4分解形成碳的反应历程如图所示。该历程分________步进行,其中,第________步的正反应活化能最大。
4
4
解析 由图可知,反应历程中能量变化出现了4个峰,即吸收了4次活化能,经历了4步反应;且从左往右看4次活化能吸收中,第4次对应的峰最高,即正反应方向第4步吸收的能量最多,对应的正反应活化能最大。
【课堂练习7】
2.物质转化-循环图示及分析
(1)位于“环上”的物质一般是催化剂或中间体,如⑤、⑥、⑦、⑧。
(2)“入环”的物质为反应物,如①和④。
(3)“出环”的物质为生成物,如②和③。
(4)依据判断出的反应物和生成物,即可快速写出反应的化学方程式。
LnFeⅢ—Cl配合物能够受光激发产生高活性的氯自由基(Cl·),可将烷烃中难以活化的C(sp3)—H转化为C—N,反应机理变化情况如图所示,下列说法错误的是(　　)
A.HCl是反应过程的中间产物
B.催化循环过程中铁元素的化合价不发生变化
B
解析 B项,循环过程中铁元素有+2和+3价的转化,错误。
【课堂练习8】
钒的配合物催化某可逆反应的一种反应机理如图所示。下列说法错误的是(　　)
A.该反应的离子方程式为H2O2+Cl-+H+ HOCl+H2O
B.产物HOCl可用于杀菌消毒
C.该催化循环中V的成键数目发生变化
D.钒的配合物通过参与反应,降低反应的活化能,提高H2O2的平衡转化率
D
【课堂练习9】
解析 产物HOCl,即次氯酸,具有强氧化性,可以杀菌消毒,B正确;该催化循环过程中,有V元素形成6个键,也有V元素形成5个键的情况,C正确;钒的配合物在过程中起到催化作用,即作催化剂,而催化剂对平衡移动没有影响,故不会影响H2O2平衡转化率,D错误。
CLASS SUMMARY
活化能
碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
碰撞理论
基元反应和反应历程
有效碰撞
活化能与活化分子
思维构建

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