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第一节　化学反应速率
第3课时　活化能
教学目标
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。
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。
3.初步了解催化剂在生产、生活和化工生产中的作用,加深对催化剂影响化学反应速率机理的认识。
4.通过从调控化学反应速率的角度分析和选择反应条件,培养学生“证据推理与模型认知”的化学核心素养。
评价目标
1.通过构建碰撞理论模型,检测学生对“影响化学反应速率的因素”的理解。
2.通过对催化剂影响化学反应速率机理的认识,检测学生对催化剂改变化学反应速率的理解。
教学重难点
重点:用简单碰撞理论说明反应条件对化学反应速率的影响,催化剂影响化学反应速率的机理。
难点:用简单碰撞理论说明反应条件对化学反应速率的影响。
教学方法
类比、讨论、归纳。
课时安排
1课时。
教学准备
课本、多媒体课件、学生使用的学案。
【知识回顾】1.影响化学反应速率的外部因素有哪些
2.从化学键角度解释化学反应的本质是什么
【学生回答】1.影响化学反应速率的外部因素有浓度、温度、压强、催化剂等。
2.本质:反应物中旧化学键的断裂,生成物中新化学键的形成。
【新课引入】同学们,在我们的生活中,每天都进行着无数的化学变化,那为什么有的反应瞬间完成,有的反应进行地非常缓慢呢 如何解释浓度、压强、温度及催化剂等因素对化学反应速率的影响呢 通过今天我们对简单碰撞理论的学习和对活化能的了解,我们将揭开这些谜题的答案。
【板书】一、活化能
1.基元反应
【教师讲解】对于化学反应发生的原理,科学家引入了简单碰撞理论,也就是说,我们一般认为一个化学反应的发生,是通过微粒之间碰撞发生的。以气体的反应为例,任何气体分子间的碰撞次数都是非常巨大的,通常情况下,当气体的浓度为1 mol·L-1时,在每立方厘米、每秒内反应物分子的碰撞可达到1028次。
研究发现,大多数化学反应并不是经过简单碰撞就能完成的,而往往经过多个反应步骤才能实现。例如,2HIH2+I2实际上是经过下列两步反应完成的:
2HI→H2+2I
2I →I2
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2HIH2+I2的反应历程。反应历程又称反应机理。
【设置问题】为什么分子碰撞时有的能发生化学反应,有的不能呢
【交流讨论】根据老师提供的投篮图片,分组讨论能够发生化学反应的碰撞,应该满足哪些条件
【得出结论】能够发生化学反应的碰撞,应该满足一要有足够的能量,二要有合适的取向。这种能够发生化学反应的碰撞我们称之为“有效碰撞”。
【板书】2.有效碰撞
【总结提升】碰撞是发生化学反应的必要条件,有效碰撞是发生化学反应的充分条件。能发生有效碰撞的分子称为“活化分子”。
【设疑】1.活化分子的碰撞一定是有效碰撞吗
2.有效碰撞次数的多少与单位体积内反应物中活化分子的多少是否有关
【得出结论】1.发生有效碰撞的分子一定是活化分子。
2.活化分子的碰撞不一定是有效碰撞(由于取向问题)。
3.其他条件不变时,同一反应活化分子在反应物中所占的百分数是一定的。
4.有效碰撞次数的多少与单位体积内反应物中活化分子的多少有关。
【练习1】下列说法正确的是(　　)
A.一定条件下,增大反应物的量会增大化学反应速率
B.增大压强,肯定会增大化学反应速率
C.活化分子间所发生的碰撞为有效碰撞
D.能够发生有效碰撞的分子叫活化分子
【答案】D
解析 A项,固体和纯液体增大用量时,反应速率不增大;B项,增大压强如果没有改变反应物的浓度(如恒容条件下充不反应气体),则反应速率不会发生改变;C项,活化分子的碰撞不一定是有效碰撞,还和碰撞的取向有关;D项,能够发生有效碰撞的分子叫活化分子,综上所述,D项正确。
【板书】3.活化能
【教师讲解】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,称为反应的活化能。
【学生活动】展示活化能与反应热的关系,请学生指出活化能、反应热。
【教师讲解】对于一个化学反应,普通分子获得活化能变为活化分子,带有合理取向的活化分子发生有效碰撞,形成新的物质,并释放出能量。在一定条件下,活化分子所占的百分数是固定的。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,化学反应速率越大。可简化如下:普通分子获得能量变成活化分子→活化分子发生有效碰撞→生成新物质并释放能量→活化分子百分数增大→有效碰撞次数增多→反应速率增大。
【分组讨论】请同学们分为三个组,试着用碰撞理论解释外界条件(浓度、温度、压强)对反应速率的影响。
【板书】二、运用有效碰撞理论解释外界条件对化学反应速率的影响
【学生活动】分组并进行讨论。讨论完成后进行展示:
一组:浓度对反应速率的影响:反应物的浓度增大,即单位体积内反应物分子总数增大→单位体积内活化分子数增加→有效碰撞次数增多→反应速率增大。
二组:温度对反应速率的影响:温度升高→分子获得更高能量→单位体积内活化分子数增多(活化分子百分数增大)→有效碰撞次数增多→反应速率增大。
三组:压强对反应速率的影响:压强增大→反应物浓度增大→单位体积内活化分子数增加→有效碰撞次数增多→反应速率增大。
【练习2】将盐酸滴到碳酸钠粉末上,能使反应的最初速率增大的是(　　)
A.盐酸浓度增加一倍,用量减至
B.盐酸浓度不变,使用量增大一倍
C.增大Na2CO3粉末的量
D.把盐酸换为浓硫酸
【答案】A
解析 盐酸与碳酸钠的反应,反应的速率和盐酸的浓度有关,和用量无关,因为碳酸钠是固体,因此反应速率和碳酸钠的用量无关,因此A正确。
【设置疑问】催化剂是如何影响化学反应速率的呢
【教师讲解】目前,科学家普遍认为,催化剂之所以能改变化学反应速率,是因为它能改变反应历程,改变反应的活化能。如图:a为非催化反应,b为催化反应。使用催化剂后,反应的活化能降低→活化分子百分数增大(活化分子数目增多)→有效碰撞次数增多→反应速率增大。
在现代化学工业中,催化剂的应用十分普遍。就近年来化学工业生产与技术的发展趋势而言,催化剂往往成为技术改造和更新的关键,从事这方面研究的科学家多次获得诺贝尔奖。催化剂的研究一直是高科技领域的重要内容。
【小结】师生共同完成表格。
外因 单位体积内 有效碰撞次数 化学反应速率
分子总数 活化分子数 活化分子百分数
增大反应物浓度 增加 增加 不变 增加 增大
增大压强 增加 增加 不变 增加 增大
升高温度 不变 增加 增加 增加 增大
加催化剂 不变 增加 增加 增加 增大
1.(双选)反应2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g)经历如下历程:
第一步:N2O5NO3+NO2　　　　　　快速平衡
第二步:NO2+NO3NO+NO2+O2 慢反应
第三步:NO+NO32NO2 快反应
其中可近似认为第二步反应不影响第一步的平衡。下列表述正确的是(　　)
A.v(第一步的逆反应)>v(第二步反应)
B.反应的中间产物只有NO3
C.第二步中NO2与NO3的碰撞仅部分有效
D.第三步反应的活化能较高
答案 AC
解析 根据第一步能“快速平衡”及第二步“慢反应”可判断,A项正确;反应的中间产物有NO3及NO,B项错误;根据第二步反应:NO2+NO3NO+NO2+O2可知,部分NO2没有参加反应,C项正确;第三步为“快反应”,则该步反应的活化能较低,D项错误。
2.下列说法中错误的是(　　)
A.对有气体参加的化学反应,增大压强使容器容积减小,可使单位体积内活化分子数增加,因而化学反应速率增大
B.活化分子之间发生的碰撞一定是有效碰撞
C.升高温度,可使反应物分子中活化分子的百分数增大,从而增大化学反应速率
D.加入适宜的催化剂,可使反应物分子中活化分子的百分数增大,从而增大化学反应速率
答案 B
解析 对有气体参加的化学反应,压强增大,体积减小,则单位体积内活化分子数目增加,所以反应速率增大,故A正确;活化分子发生碰撞不一定发生化学反应,发生化学反应的碰撞为有效碰撞,即活化分子之间发生的碰撞不一定为有效碰撞,故B错误;升高温度,活化分子的百分数增大,所以反应速率增大,故C正确;使用催化剂,分子本身的能量不变,但改变反应的途径,降低反应所需的活化能,活化分子的百分数大大增加,从而增大化学反应速率,故D正确。
通过本节课的学习,我们知道了化学反应是有历程的,认识到基元反应活化能对化学反应速率的影响,并知道催化剂可以改变反应历程。我们利用简单碰撞理论的模型,重新认识了影响化学反应速率的四个主要外界因素。当然,除了改变浓度、温度、压强及选用催化剂等,还有很多改变化学反应速率的方法。例如,通过光辐照、放射线辐照、超声波、电弧、强磁场、高速研磨等。总之,向反应体系输入能量,都有可能改变化学反应速率。
通过本节课的学习,同学们进一步了解了化学反应的原理,并初步形成了“宏观辨识与微观探析”的化学核心素养。希望同学们继续努力学习,挖掘出自己更大的潜能,学好化学,学精化学,并运用自己的知识,为人类进步作出自己的贡献。
完成课本P30~P31课后练习题。
本节课学生初步了解了碰撞理论,并尝试用碰撞理论和活化能知识解释化学反应的一些原理。通过本节课的学习,学生对上一节学习的影响化学反应速率的因素有了微观的、更深入的理解。在此之前,学生对影响反应速率的因素的认识是孤立的,还没有形成对因素之间的关系,以及各种因素对反应速率的影响程度的认识。有效碰撞理论的学习能使学生找到浓度、温度、压强、催化剂等因素的内在联系,即这些因素都是通过改变单位体积内活化分子的数目来影响反应速率的,但是影响的程度不同。催化剂对反应速率的影响最大,其次是温度的影响,因此化工生产选择生产条件首先考虑催化剂。这些认识的建立有利于学生从联系的角度和系统分析的角度来认识影响反应速率的因素,形成依据生产目的,基于降低生产成本的原则,权衡调控各影响因素的利弊,选择最佳生产条件的思路。
对于理论的教学,很多教师往往采用教师全程讲授或学生自学的方式。本人认为采用探究教学的方式,有利于增进学生对有效碰撞理论的理解,从而更好地发挥有效碰撞理论对促进学生认识发展的作用。与讲授式相比,探究的教学方式能够将学生建构理论的思维过程与学生认知的发展很好地融合在一起,从而为学生更好地认识有效碰撞理论的意义和价值奠定基础。
通过本节课的学习,也培养了学生“宏观辨识与微观探析”“证据推理与模型认知”等化学核心素养,对于学生开展后面化学平衡的学习,有很大的帮助作用。
第一节　化学反应速率
第3课时　活化能
一、活化能
1.基元反应
2.有效碰撞
3.活化能
二、运用有效碰撞理论解释外界条件对化学反应速率的影响
1.在化工生产中,如果要增大反应速率,应该优先考虑的科研方向是(　　)
A.提高设备强度,以便加压
B.选择适宜的催化剂
C.采用高温
D.用块状反应物代替粉末状反应物
答案 B
解析 催化剂能大大降低反应的活化能,使反应速率成千上万倍地增大,效率较高。
2.下列说法正确的是(　　)
A.升高温度能使化学反应速率增大,主要原因是增大了反应物分子中的活化分子百分数
B.等质量的锌粉和锌片分别与等体积、等浓度的稀盐酸反应,反应速率相等
C.用铁片与稀硫酸反应制备氢气时,用浓硫酸可以增大产生氢气的速率
D.催化剂不影响反应的活化能,但能增大单位体积内的活化分子百分数,从而增大反应速率
答案 A
解析 升高温度,分子总数不变,活化分子数增大,活化分子百分数增大,所以升高温度能使化学反应速率增大,故A正确;接触面积增大,反应速率增大,等质量的锌粉和锌片分别与等体积、等浓度的稀盐酸反应,锌粉与稀盐酸的反应速率快,故B错误;铁遇浓硫酸钝化,用浓硫酸不能增大产生氢气的速率,故C错误;催化剂降低反应的活化能,增大单位体积内的活化分子百分数,从而增大反应速率,故D错误。
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。该历程示意如下:
则下列说法不正确的是(　　)
A.生成CH3COOH总反应是化合反应
B.①→②吸收能量
C.CH4→CH3COOH过程中,有C—H键发生断裂
D.①→②过程形成了C—C键
答案 B
解析 CO2和CH4反应生成CH3COOH的化学方程式为CH4+CO2CH3COOH,该反应为化合反应,A正确;①→②的反应中,反应物的总能量高于生成物的总能量,因此该反应为放热反应,即反应过程中放出热量,B错误;CH4中含有四个C—H键,CH3COOH中只含有三个C—H键,因此CH4→CH3COOH的转化过程中,有C—H键发生断裂,C正确;①→②的反应中,反应物中不含有C—C 键,而生成物中含有C—C键,因此反应过程中形成了C—C键,D正确。
4.某反应过程中的能量变化如图所示,下列说法正确的是(　　)
A.改变催化剂,可改变该反应的活化能
B.该反应为吸热反应,反应热等于ΔH
C.a反应过程有催化剂参与
D.在催化剂作用下,该反应的活化能等于E1+E2
答案 A
解析 使用不同的催化剂,对该反应活化能的影响不同,故A项正确;该反应反应物的总能量高于生成物的总能量,为放热反应,故B项错误;b反应过程有催化剂参与,故C项错误;E1、E2分别代表b反应过程中各步反应的活化能,整个反应的活化能为能量较高的E1,故D项错误。
5.已知1 mol H2O2分解放出热量98 kJ,在含少量I-的溶液中,H2O2分解的机理如下:
①H2O2+I-H2O+IO-　　　慢
②H2O2+IO-H2O+O2+I-　　快
下列有关该反应的说法正确的是(　　)
A.当该反应放出98 kJ的热量时,会生成0.5 mol O2
B.H2O2的分解速率主要是由反应②决定的
C.IO-是该反应的催化剂
D.催化剂的加入改变了该反应的反应热
答案 A
解析 当反应放出98 kJ的热量时,消耗1 mol H2O2,会生成0.5 mol O2,A正确;化学反应速率由慢反应决定,H2O2的分解速率主要由反应①决定,B错误;该反应的催化剂是I-,C错误;催化剂降低反应的活化能,使活化分子百分数增大,从而增大化学反应速率,但不影响反应热,D错误。
化学反应的活化能
实验证明,只有发生碰撞的分子的能量等于或超过某一定的能量Ec(可称为临界能)时,才可能发生有效碰撞。具有能量大于或等于Ec的分子称为活化分子。
在一定温度下,将具有一定能量的分子百分数对分子能量作图,如图所示。
从图中可以看出,原则上来说,反应物分子的能量可以从0到∞,但是具有很低能量和很高能量的分子都很少,具有平均能量Ea的分子数相当多。这种具有不同能量的分子数和能量大小的对应关系图,称为一定温度下分子能量分布曲线图。
图中,Ea表示分子的平均能量,Ec是活化分子具有的最低能量,能量等于或高于Ec的分子可能产生有效碰撞。活化分子具有的最低能量Ec与分子的平均能量Ea之差叫活化能。
不同的反应具有不同的活化能。反应的活化能越低,则在指定温度下活化分子数越多,反应就越快。
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