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第2课时 活化能
1.有效碰撞与活化能。
(1)基元反应与反应历程。
大多数化学反应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,先后进行的基元反应反映了化学反应的反应历程,又称反应机理。基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生碰撞。
(2)并不是反应物分子的每一次碰撞都能发生反应,有效碰撞是指能够发生化学反应的碰撞。
(3)发生有效碰撞,需要具备两个条件:一是反应物的分子必须具有足够的能量,这种分子称为活化分子;二是碰撞时要有合适的取向,才能断裂化学键,发生化学反应。
(4)活化能是指活化分子具有的能量与反应物分子具有的平均能量之差。
2.用有效碰撞理论解释外界因素对化学反应速率的影响。
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。
(1)其他条件不变,增大反应物的浓度,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,化学反应速率增大。
(2)其他条件不变,升高温度,使一部分原来能量较低的反应物分子变成活化分子,增加了反应物分子中活化分子的百分数;同时,升温使活化分子的运动加速,使得单位时间内有效碰撞的次数增加,化学反应速率增大。
(3)催化剂能改变反应历程,改变反应的活化能,增大了单位体积内反应物分子中活化分子的数目,使得单位时间内有效碰撞的次数增加,化学反应速率增大。
3.化学反应的过程与能量变化关系图。
对于放热反应,反应物、生成物的能量与活化能的关系示意图如图所示。其中,E1表示反应的 活化能 ,E2表示活化分子变成生成物分子
放出的能量 ,E1-E2表示 反应热 。
微判断 (1)大多数化学反应都是基元反应。( )
(2)活化分子的碰撞都是有效碰撞。( )
(3)催化剂能降低反应的活化能,增大单位体积内的活化分子数。( )
(4)缩小容积增大压强,可使反应物的活化分子百分数增加。
( )
(5)催化剂能改变反应历程,使本来不能反应的物质发生化学反应。( )
×
×
√
×
×
微训练 某反应过程的能量变化如图所示, b (填“a”或“b”)表示催化反应;该反应是 放热 (填“吸热”或“放热”)反应。
用碰撞理论解释影响化学反应速率的因素
问题探究
基元反应过渡态理论认为,基元反应
在从反应物到生成物的变化过程中
要经历一个中间状态,这个状态称为
过渡态。例如,一溴甲烷与NaOH溶
液反应的过程可以表示为
CH3Br+OH-→[Br…CH3…OH]→Br-+CH3OH。
过渡态能量与反应物的平均能量的差值相当于活化能,基元反应的活化能越高,此步基元反应速率越慢。请用有效碰撞理论解释原因。
提示:活化能大时,反应物分子不易成为活化分子,很少发生有效碰撞,反应不易发生。
归纳总结
1.有效碰撞。
2.活化能和活化分子。
(1)活化分子:具有足够高能量的分子。能够发生有效碰撞的分子一定是活化分子,活化分子碰撞的取向合适时才能发生有效碰撞。
(2)活化能:活化分子比反应物分子所多出的平均能量(或反应物分子转化成活化分子所需要的能量)是活化能。
3.用碰撞理论解释外界条件对化学反应速率的影响。
易错警示 (1)活化分子数变,反应速率不一定变,但活化分子百分数变,反应速率一定变。 (2)对于可逆反应,升高温度、增大压强、加入催化剂既能增大正反应速率又能增大逆反应速率。
典例剖析
【例】 下列说法不正确的是( )。
A.增大反应物浓度,可增大单位体积内活化分子的百分数,从而使有效碰撞次数增多
B.有气体参加的化学反应,若增大压强(减小反应容器的容积),可增大单位体积内的活化分子数,从而使反应速率增大
C.升高温度能使化学反应速率增大的主要原因是增加了单位体积中反应物活化分子的百分数
D.催化剂能增大单位体积内活化分子的百分数,从而成千上万倍地增大化学反应速率
答案:A
解析:增大反应物浓度、增大气体反应物的压强都会使单位体积内活化分子数增大,但由于单位体积内反应物分子总数发生同等倍数的变化,活化分子百分数并不一定改变,A项错误,B项正确。升高温度可以增大反应物分子能量,催化剂可以减小反应发生所需的活化能,这两种方法都能使一部分能量较低的普通分子变成活化分子,从而使活化分子百分数增多。升高温度或加入催化剂,正、逆反应速率均增大,C、D项正确。
方法技巧 碰撞理论从微观的角度解释了宏观因素与化学反应速率的关系,其实质是能量的变化引起分子运动行为的改变,即客观条件的改变引起的能量变化,最终使活化分子的百分数增大或减小,使得有效碰撞次数增加或减少,从而引起反应速率的改变。
学以致用
1.对于一定条件下进行的化学反应:2SO2+O2 2SO3,改变下列条件,可以提高反应物中活化分子百分数的是( )。
A.增大压强
B.升高温度
C.增大SO2浓度
D.减小SO2浓度
答案:B
解析:活化分子比反应物分子具有更高的能量,若提高活化分子的百分数,可采用的方法:一是升高温度,提高反应物分子的能量,使一部分反应物分子变成活化分子,从而提高活化分子百分数;二是加入催化剂,降低反应的活化能,使更多的反应物分子成为活化分子,大大提高反应物中活化分子百分数;浓度和压强只能改变单位体积内活化分子的数目,不能提高活化分子的百分数。
2.我们把能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞;发生有效碰撞的分子必须具有足够的能量,这种分子叫做活化分子;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。
图甲
图乙
下列说法正确的是( )。
A.图甲中曲线Ⅰ可以表示催化剂降低了反应的活化能
B.图乙中HI分子发生了有效碰撞
C.盐酸和氢氧化钠溶液的反应活化能接近于零
D.增大反应物浓度,活化分子百分数增多,单位时间内有效碰撞次数增加
答案:C
解析:曲线Ⅱ可以表示催化剂能降低反应的活化能,A项错误;能够发生化学反应的碰撞才是有效碰撞,由图乙可知碰撞后没有生成新物质,即没有发生化学反应,不是有效碰撞,B项错误;盐酸和氢氧化钠溶液反应的实质是氢离子与氢氧根离子反应生成水,活化能接近零,C项正确;增大反应物浓度,单位体积内活化分子数增多,单位时间内有效碰撞次数增加,D项错误。
1.氮气与氢气在催化剂表面发生合成氨反应的微粒变化历程如图所示。
下列关于反应历程的先后顺序排列正确的是( )。
A.④③①② B.③④①②
C.③④②① D.④③②①
答案:A
解析:物质发生化学反应就是构成物质的微粒重新组合的过程,分子分解成原子,原子再重新组合成新的分子,新的分子构成新的物质,氢分子和氮分子都由两个原子构成,它们在固体催化剂的表面会分解成单个的原子,原子再组合成新的氨分子,即催化反应历程可表示为扩散→吸附→断键→成键→脱附。
2.有效碰撞除受能量因素制约外,还受碰撞分子取向的影响。在反应NO2+CO══NO+CO2中,只有当CO分子中的碳原子与NO2分子中的氧原子碰撞时,才能发生有效碰撞,以下碰撞取向正确的是( )。
答案:A
解析:由题意知,CO分子中碳原子与NO2分子中氧原子碰撞时
才能发生有效碰撞,即
3.在气体反应中,改变下列条件,能使反应物中活化分子数和活化分子百分数都增大的是( )。
①增大反应物的浓度 ②升高温度 ③压缩容积增大压强 ④移去生成物 ⑤加入催化剂
A.①⑤ B.①③ C.②⑤ D.③④⑤
答案:C
解析:①增大反应物的浓度,只能增大单位体积内活化分子数;③压缩容积增大压强实际为增大反应物浓度,与①相同;④移去生成物不影响反应物的活化分子数及活化分子百分数。
4.在容积可变的容器中发生反应N2+3H2 2NH3,
当减小容器容积时,化学反应速率增大,其主要原因是( )。
A.分子运动速率加快,使反应物分子间的碰撞机会增多
B.反应物分子的能量增加,活化分子百分数增大,有效碰撞次数增多
C.活化分子百分数未变,但单位体积内的活化分子数增加,有效碰撞次数增多
D.分子间距离减小,使所有的活化分子间的碰撞都成为有效碰撞
C
解析:活化分子百分数与压强无关,容器容积减小时,单位体积内活化分子数增加。
5.处理、回收CO是环境科学家研究的热点课题。CO用于处理大气污染物N2O,发生的反应为N2O(g)+CO(g) CO2(g)+N2(g) ΔH=-365 kJ·mol-1。上述反应可用“Fe+”作催化剂,其总反应分两步进行:
第一步:Fe++N2O══FeO++N2;
第二步:FeO++CO══Fe++CO2,第二步反应不影响总反应达到平衡所用的时间。
下列说法中不正确的是( )。
A.FeO+也是该反应的催化剂
B.第一步中Fe+与N2O的碰撞仅部分有效
C.第二步反应速率大于第一步反应速率
D.增大CO的浓度不能显著增大处理N2O的反应速率
答案:A
解析:由第一步、第二步反应可知,Fe+是反应的催化剂,FeO+为反应的中间产物,A项错误;化学反应中的碰撞并不都是有效碰撞,仅部分碰撞为有效碰撞,则Fe+与N2O的碰撞仅部分有效,B项正确;由于第一步反应和第二步反应之间存在联系,FeO+为中间产物,第二步反应不影响总反应达到平衡所用的时间,说明第一步是慢反应,控制总反应速率,第二步反应速率大于第一步反应速率,C项正确;
根据题意,第二步反应不影响总反应达到平衡所用的时间,处理N2O的反应速率只受第一步反应影响,CO在第二步反应中参与,则增大CO的浓度不能提高处理N2O的反应速率,D项正确。第2课时 活化能
课后·训练提升
基础巩固
1.下列说法正确的是( )。
①升高温度会加快反应速率,原因是增加了活化分子的有效碰撞次数
②增大反应物浓度会加快反应速率的原因是单位体积内有效碰撞的次数增多
③使用催化剂能提高反应速率,原因是提高了分子的能量,使有效碰撞频率增大
A.①② B.①③
C.②③ D.①②③
答案:A
解析:使用催化剂改变反应历程,降低反应的活化能,增大活化分子百分数,使有效碰撞频率增大,提高反应速率,③错误。
2.某反应过程中的能量变化如图所示(图中E1表示正反应的活化能,E2表示逆反应的活化能)。下列有关叙述不正确的是( )。
A.该反应为吸热反应
B.使用催化剂能加快该反应的化学反应速率
C.催化剂能降低该反应的活化能
D.逆反应的活化能大于正反应的活化能
答案:D
解析:该反应生成物总能量比反应物总能量高,为吸热反应,A项正确;对照图中有无催化剂的两种情况,有催化剂的活化能较低,因为催化剂能降低反应的活化能,从而加快化学反应速率,B、C项正确;E1大于E2,正反应的活化能较大,D项错误。
3.NO和CO都是汽车尾气里的有毒气体,它们之间能缓慢反应:2NO+2CON2+2CO2。为了控制大气污染,下列建议实际可行的是( )。
A.增大压强,增大反应速率
B.使用适当催化剂提高反应速率
C.提高反应温度,增大反应速率
D.在汽车尾部用橡胶囊收集有毒气体
答案:B
解析:给导出的气体再加压或升高温度均不符合实际,用橡胶囊收集有毒气体的方法也不现实。
4.CO2的转化一直是世界范围内的研究热点。利用两种金属催化剂,在水溶液体系中将CO2分别转化为CO和HCOOH的反应过程示意图如下:
下列说法正确的是( )。
A.在转化为CO的路径中,只涉及碳氧键的断裂和氢氧键的形成
B.在转化为HCOOH的路径中,CO2被氧化为HCOOH
C.两个转化路径均有非极性键的形成
D.上述反应过程说明催化剂具有选择性
答案:D
解析:由图可知,在转化为CO的路径中,既涉及碳氧键的断裂和氢氧键的形成,还有氢氢键的断裂和碳氧键的形成,A项错误;在CO2转化为HCOOH的路径中,C的化合价降低,故是还原反应而不是氧化反应,B项错误;两个转化路径中形成的化学键均为极性键,C项错误;二氧化碳在不同催化剂作用下,分别生成甲酸和CO,说明催化剂具有选择性,D项正确。
5.已知反应:2NO(g)+Br2(g)2NOBr(g) ΔH=-a kJ·mol-1(a>0),其反应历程如下:
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.NOBr2是该反应的催化剂
C.正反应的活化能比逆反应的活化能小a kJ·mol-1
D.增大Br2(g)浓度能增大活化分子百分数,加快反应速率
答案:C
解析:总反应的反应速率主要取决于最慢的一步,所以该反应的速率主要取决于②的快慢,选项A错误;NOBr2是反应过程中的中间产物,不是该反应的催化剂,选项B错误;该反应为放热反应,说明反应物总能量高于生成物总能量,所以正反应的活化能比逆反应的活化能小a kJ·mol-1,选项C正确;增大Br2(g)浓度,可增大单位体积内的活化分子数,但活化分子百分数不变,选项D错误。
能力提升
1.一定条件下,CH4分解生成C的反应历程如图所示,下列说法不正确的是( )。
A.如图是反应CH4C+2H2的能量-时间示意图
B.第④步的活化能最大
C.4个步骤中有的吸热,有的放热
D.选择恰当催化剂可降低反应活化能
答案:A
解析:题图是反应CH4C+4H的能量-时间示意图,A项错误;根据图示,第④步的活化能最大,B项正确;第①、②、④步吸热,第③步放热,C项正确;催化剂通过降低反应的活化能,增大反应速率,D项正确。
2.已知分解1 mol H2O2放出热量98 kJ。在含少量I-的溶液中,H2O2分解经过下列两步基元反应完成: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.反应的活化能等于98 kJ·mol-1
B.IO-也是该反应的催化剂
C.反应速率与I-浓度有关
D.H2O2分解的反应速率主要取决于反应②
答案:C
解析:1 mol H2O2分解的反应热ΔH=-98 kJ·mol-1,
不是反应的活化能,A项错误;将反应①+②可得总反应方程式,反应的催化剂是I-,IO-只是中间产物,B项错误;I-是①的反应物之一,其浓度大小对①的反应速率会产生影响,C项正确;H2O2分解的反应速率主要由最慢的一步基元反应决定,D项错误。
3.研究表明,甲醇通过催化氧化制取甲醛时,在无催化剂(图中实线)和加入特定催化剂(图中虚线)时均会产生甲醛,其反应中物质的相对能量如图所示。下列说法错误的是( )。
A.加入该催化剂可使每一步基元反应的反应速率均提高
B.该条件下CO2比CO的稳定性强
C.无催化剂时,升高温度,甲醇生成甲醛的正反应速率增大,逆反应速率也增大
D.无催化剂时,CO2生成CO比生成甲醛的活化能小
答案:A
解析:根据图像可知,使用催化剂增大CO转化成甲醇的活化能,反应速率减小,故A错误;根据图像可知,CO2具有的能量比CO低,能量低,物质稳定,则该条件下, CO2比CO稳定性强,故B正确;根据图像可知,甲醇生成甲醛的反应为放热反应,升高温度,甲醇生成甲醛的正反应速率增大,逆反应速率也增大,故C正确;根据图像可知,无催化剂时,CO2生成CO比生成甲醛的活化能小,故D正确。
4.草酸与高锰酸钾在酸性条件下能够发生如下反应:Mn+H2C2O4+H+Mn2++CO2↑+H2O(未配平)。
用4 mL 0.001 mol·L-1 KMnO4溶液与2 mL 0.01 mol·L-1 H2C2O4溶液,研究不同条件对化学反应速率的影响。改变的条件如下:
组别 温度/℃ 其他物质
Ⅰ 2 20 —
Ⅱ 2 20 10滴饱和MnSO4溶液
Ⅲ 2 30 —
Ⅳ 1 20 1 mL蒸馏水
(1)该反应中氧化剂和还原剂的物质的量之比为 。
(2)如果研究催化剂对化学反应速率的影响,使用实验 和 (用Ⅰ~Ⅳ表示,下同);如果研究温度对化学反应速率的影响,使用实验 和 。
(3)对比实验Ⅰ和Ⅳ,可以研究 对化学反应速率的影响,实验Ⅳ中加入1 mL蒸馏水的目的是 。
答案:(1)2∶5
(2)Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅲ
(3)c(H+)(或硫酸溶液的浓度) 确保所有实验中c(KMnO4)、c(H2C2O4)不变和溶液总体积不变
解析:(1)根据电子守恒列式可得:n(Mn)×(7-2)=n(H2C2O4)×2×(4-3),则n(Mn)∶n(H2C2O4)=2∶5。(2)利用“单一变量法”研究某一因素对化学反应速率的影响,体现化学实验的控制变量思想。(3)对比Ⅰ和Ⅳ,反应的温度、溶液的体积等都相同,仅有c(H+)不同,故可研究c(H+)对反应速率的影响。加1 mL水的目的是确保c(KMnO4)、c(H2C2O4)不变和溶液总体积不变。
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