第3課時活化能[課程標準]1.了解有效碰撞理論。2.知道活化能的含義及其對化學反應速率的影響。3.了解催化劑在生產、生活和科學研究領域中的重大作用。知識點一有效碰撞理論1．基元反應大多數的化學反應往往經過多個反應步驟才能實現。其中每一步反應都稱為基元反應。如2HI=H2＋I2的2個基元反應為2HI→H2＋2I·、2I·→I2。2．反應機理先后進行的基元反應反映了化學反應的反應歷程，反應歷程又稱反應機理。3．基元反應發生的先決條件基元反應發生的先決條件是反應物的分子必須發生碰撞，但是并不是每一次分子碰撞都能發生化學反應。4．有效碰撞5．活化分子能夠發生有效碰撞的分子。對于某一化學反應來說，在一定條件下，反應物分子中活化分子的百分數是一定的。6．活化能活化能：活化分子具有的平均能量與反應物分子具有的平均能量之差，叫做反應的活化能。【微自測】判斷正誤1．活化能大的反應一定是吸熱反應()2．發生有效碰撞的分子一定是活化分子()3．一般情況下，反應的活化能越小，反應速率越快()4．能發生有效碰撞的分子必須具有足夠高的能量()答案：1.×2.√3.√4.√某反應過程的能量變化關系如圖所示，按要求回答下列問題：(1)已知熱化學方程式H2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)=H2O(g)ΔH＝－241.8kJ·mol－1，該反應的活化能為167.2kJ·mol－1，則其逆反應的活化能為_______________________________。(2)已知C(石墨，s)=C(金剛石，s)ΔH＝＋1.5kJ·mol－1，某同學根據該反應吸收的熱量較小，認為由石墨變為金剛石的反應很容易進行，但事實上該反應卻很難發生，需要很高的溫度和很大的壓強，請你分析造成這種現象的主要因素是________________________________________________________________________。(3)對于同一反應，圖中虛線Ⅱ與實線Ⅰ相比，活化能降低，活化分子百分數增多，反應速率加快，你認為最可能的原因是_______________________________________________________________________。解析：(1)該反應的活化能為167.2kJ·mol－1，則其逆反應的活化能＝正反應活化能－反應焓變＝167.2kJ·mol－1－(－241.8kJ·mol－1)＝409.0kJ·mol－1。(2)雖然石墨和金剛石的能量相差不大，但該反應的活化能很高，因此引發該反應需要很高的溫度和很大的壓強。(3)催化劑能夠降低反應的活化能，提高活化分子百分數，加快反應速率，因此虛線Ⅱ中改變的條件是使用了催化劑。答案：(1)409.0kJ·mol－1(2)該反應的活化能很高(3)使用了催化劑歸納總結1.過渡態理論中的活化能過渡態理論認為，反應物轉化為生成物的過程中要經過能量較高的過渡狀態。過渡狀態的平均能量與反應物分子的平均能量的差為反應的活化能。如下圖，E1為正反應的活化能，E2為逆反應的活化能，ΔH＝E1－E2。2．活化能與反應速率化學反應速率與反應的活化能大小密切相關，活化能越小，反應速率越大。1．已知反應2NO(g)＋2H2(g)N2(g)＋2H2O(g)ΔH＝－752kJ·mol－1的反應機理如下：①2NO(g)N2O2(g)(快)②N2O2(g)＋H2(g)N2O(g)＋H2O(g)(慢)③N2O(g)＋H2(g)N2(g)＋H2O(g)(快)下列有關說法錯誤的是()A．①的逆反應速率大于②的正反應速率B．②中N2O2與H2的碰撞僅部分有效C．N2O2和N2O是該反應的催化劑D．總反應中逆反應的活化能比正反應的活化能大答案：C2．已知反應：2NO(g)＋Br2(g)2NOBr(g)ΔH＝－akJ·mol－1(a＞0)，其反應機理如下：①NO(g)＋Br2(g)NOBr2(g)快②NO(g)＋NOBr2(g)2NOBr(g)慢下列有關該反應的說法正確的是()A．該反應的速率主要取決于①的快慢B．增大Br2(g)濃度能增大活化分子百分數，加快反應速率C．NOBr2是該反應的催化劑D．正反應的活化能比逆反應的活化能小akJ·mol－1答案：D知識點二有效碰撞理論對影響化學反應速率因素的解釋1．濃度反應物濃度增大→單位體積內活化分子數增多→單位時間內有效碰撞的次數增加→反應速率增大；反之，反應速率減小。2．壓強增大壓強→氣體體積縮小→反應物濃度增大→單位體積內活化分子數增多→單位時間內有效碰撞的次數增加→反應速率增大；反之，反應速率減小。(壓強對化學反應速率的影響，可轉化成濃度對化學反應速率的影響。)3．溫度升高溫度→活化分子的百分數增大→單位時間內有效碰撞的次數增加→反應速率增大；反之，反應速率減小。4．催化劑使用催化劑→改變了反應的歷程(如圖)，反應的活化能降低→活化分子的百分數增大→單位時間內有效碰撞的次數增加→反應速率加快。【微自測】判斷正誤1．升高溫度，使反應物分子中活化分子百分數減小()2．有效碰撞次數多，反應速率快()3．催化劑能降低反應所需的活化能，ΔH也會發生變化()4．只要條件合適，普通分子之間的碰撞也可能是有效碰撞()答案：1.×2.×3.×4.×合成氨工業中，在無催化劑時，氨的合成反應的活化能很高，大約為335kJ·mol－1。加入鐵催化劑后，反應以生成氮化物和氮氫化合物兩個階段進行。第一階段的反應活化能為126kJ·mol－1～167kJ·mol－1，第二階段的反應活化能為13kJ·mol－1。由于反應途徑的改變(生成不穩定的中間化合物)，降低了反應的活化能，因而反應速率加快了。請從有效碰撞的微觀角度，解釋在合成氨工業中，鐵催化劑提高反應速率的原因。提示：鐵催化劑的使用，降低了反應所需的活化能，活化分子百分數提高，有效碰撞次數增加，化學反應速率加快。歸納總結活化分子、有效碰撞與反應速率的關系1．298.15K時，N2、H2與NH3的平均能量與合成氨反應的活化能的曲線如圖所示，下列說法正確的是()A．合成氨反應的熱化學方程式為N2＋3H22NH3ΔH＝－92kJ/molB．在圖中曲線a表示加入催化劑時的能量變化曲線C．升高反應溫度，活化分子數增多D．催化活性很強的新型催化劑可以提高N2的轉化率答案：C2．下列說法正確的是()①活化分子間的碰撞一定能發生化學反應②普通分子間的碰撞有時也能發生化學反應③活化分子比普通分子具有較高的能量④化學反應的實質是原子的重新組合⑤化學反應的實質是舊化學鍵的斷裂和新化學鍵的形成過程⑥化學反應的實質是活化分子有合適取向時的有效碰撞A．②③⑥ B．③④⑤C．②④⑤ D．①③④⑤答案：B1．乙炔在Pd表面選擇加氫的反應機理如圖(吸附在Pd表面上的物質用*標注)，下列敘述錯誤的是()A．該反應歷程中最大能壘(活化能)為85kJ/molB．乙炔催化加氫反應的ΔH＜0C．Pd為固體催化劑，一般其表面積越大，催化效果越好D．C2Heq\o\al(*,2)＋H*→C2Heq\o\al(*,3)的過程中只有化學鍵的形成D[A.根據題圖，該反應歷程中最大能壘(活化能)為85kJ/mol，故A正確；B.根據題圖，乙炔和氫氣的總能量大于乙烯的能量，乙炔催化加氫反應的ΔH＜0，故B正確；C.Pd為固體催化劑，一般其表面積越大，催化效果越好，故C正確；D.C2Heq\o\al(*,2)＋H*→C2Heq\o\al(*,3)的過程中有碳碳鍵的斷裂和碳氫鍵的形成，故D錯誤；選D。]2．下列關于有效碰撞理論與影響速率因素之間關系不正確的是()A．活化分子間所發生的部分碰撞為有效碰撞B．增大反應物濃度能夠增大活化分子數，化學反應速率增大C．升高溫度，活化分子百分數增大，化學反應速率增大D．選用適當的催化劑，分子運動加快，增加了碰撞頻率，故反應速率增大D[A.活化分子間所發生的引起反應的碰撞稱為有效碰撞，故A正確；B.增大反應物濃度可以增大單位體積內分子總數，從而增多活化分子數，導致反應速率增大，故B正確；C.升高溫度可以導致活化分子數增多，故增大了活化分子百分數，反應速率增大，故C正確；D.選用適當的催化劑可以降低反應的活化能，導致活化分子百分數增多從而導致有效碰撞增多，反應速率增大，故D不正確；故選答案D。]3.下列關于化學反應說法正確的是()A．活化分子之間的碰撞一定是有效碰撞B．增大反應物的濃度，可使單位體積內活化分子百分數增多，反應速率加快C．增大體系壓強，可使單位體積內活化分子百分數增多，反應速率加快D．催化劑能降低反應的活化能，使單位體積內活化分子百分數增加，反應速率加快D[A.活化分子之間有一定取向的碰撞才能引發化學反應，故活化分子之間的碰撞不一定均是有效碰撞，故A錯誤；B.增大反應物的濃度，可使單位體積內活化分子數增多，加快速率，故B錯誤；C.增大體系壓強，可使單位體積內活化分子數增多，單位體積內活化分子百分數不變，故C錯誤；D.催化劑能降低反應的活化能，使單位體積內活化分子百分數增加，反應速率加快，故D正確；故選D。]4．我國科學家研究了不同含金化合物催化乙烯加氫[C2H4(g)＋H2(g)=C2H6(g)ΔH＝akJ·mol－1]的反應歷程如下圖所示，下列說法正確的是()A．1molC2H4(g)與1molH2(g)具有的能量之和小于1molC2H6(g)的能量B．過渡態物質的穩定性：過渡態1>過渡態2C．該反應的焓變：ΔH＝－129.6kJ·mol－1D．相應的活化能：催化劑AuF<催化劑AuPFeq\o\al(＋,3)C[A.由題圖可知，該反應為反應物總能量高于生成物總能量的放熱反應，故A錯誤；B.由題圖可知，過渡態1的相對能量高于過渡態2，物質的能量越高，越不穩定，所以過渡態1的穩定性小于過渡態2，故B錯誤；C.由題圖可知，反應的焓變ΔH＝(－129.6－0)kJ·mol－1＝－129.6kJ·mol－1，故C正確；D.由題圖可知，催化劑AuF、催化劑AuPFeq\o\al(＋,3)的活化能分別為109.34kJ·mol－1、26.3kJ·mol－1，則催化劑AuF的活化能大于催化劑AuPFeq\o\al(＋,3)的活化能，故D錯誤；故選C。]課時精練(六)活化能(本欄目內容，在學生用書中以獨立形式分冊裝訂！)[基礎達標]題組一活化分子與有效碰撞理論1．(2022·云南宣威市第三中學高二期末)下列對化學反應速率增大原因的分析錯誤的是()A．升高溫度，使反應物分子中活化分子百分數增大B．向反應體系中加入相同濃度的反應物，使活化分子百分數增大C．對有氣體參加的化學反應，增大壓強使容器容積減小，單位體積內活化分子數增多D．加入適宜的催化劑，使反應物分子中活化分子百分數增大B[A.升溫，反應物分子的能量升高，則活化分子百分數增大，A正確；B.向反應體系中加入相同濃度的反應物，活化分子百分數不改變，B錯誤；C.對有氣體參加的反應，增大壓強使容器容積減小，則濃度增大，單位體積的活化分子數增多，C正確；D.加入適宜的催化劑，降低反應的活化能，使反應物中活化分子百分數增大，D正確；故選B。]2．下列說法不正確的是()A．增大反應物濃度，活化分子百分數增大，有效碰撞次數增多B．增大壓強，單位體積內氣體的活化分子數增多，有效碰撞次數增多C．升高溫度，活化分子百分數增加，分子運動速度加快，有效碰撞次數增多D．催化劑能降低反應的活化能，提高活化分子百分數，有效碰撞次數增多A[增大反應物濃度，活化分子數目增多，但活化分子百分數不變。]題組二化學反應歷程能量探析3．我國科研人員提出了由CO2和CH4轉化為高附加值產品CH3COOH的催化反應歷程。該歷程如圖所示。下列說法不正確的是()A．該反應中正反應的活化能比逆反應的小B．反應涉及的物質中，過渡態物質最不穩定C．①→②放出能量并形成了C—C鍵D．該反應中斷裂反應物的化學鍵所需能量總和比形成生成物的化學鍵釋放的能量總和大D[A.根據圖中信息得到該反應是放熱反應，正反應的活化能比逆反應的小，故A正確；B.根據能量越低越穩定分析，反應涉及的物質中，過渡態物質最不穩定，故B正確；C.①→②是反應物到生成物，反應放出能量并形成了C—C鍵，故C正確；D.該反應是放熱反應，因此該反應中斷裂反應物的化學鍵所需能量總和比形成生成物的化學鍵釋放的能量總和小，故D錯誤。綜上所述，答案為D。]4．(2022·安徽池州高二期中)過渡態理論認為：化學反應不是通過反應物分子的簡單碰撞完成的。在反應物分子生成產物分子的過程中，首先生成一種高能量的活化配合物，高能量的活化配合物再進一步轉化為產物分子。按照過渡態理論，NO2(g)＋CO(g)=CO2(g)＋NO(g)的反應歷程如下，下列有關說法正確的是()A．第二步活化配合物之間的碰撞一定是有效碰撞B．活化配合物的能量越高，第一步的反應速率越快C．第一步反應需要吸收能量D．該反應的反應速率主要取決于第二步反應C[活化分子之間的碰撞不一定能發生反應，不一定是有效碰撞，故A項錯誤；活化配合物的能量越高，單位體積內的活化分子數目越少，有效碰撞的次數越小，第一步反應速率越慢，故B項錯誤；第一步反應斷裂化學鍵，需要吸收能量，故C項正確；反應速率主要取決于慢反應的速率，故D項錯誤。]5．已知分解1molH2O2放出熱量98kJ，在含少量I－的溶液中，H2O2分解的機理為H2O2＋I－=H2O＋IO－(慢)、H2O2＋IO－=H2O＋O2＋I－(快)。下列有關該反應的說法不正確的是()A．總反應中v(H2O2)∶v(O2)＝2∶1B．H2O2的分解速率與I－的濃度有關C．該反應的催化劑是I－，而不是IO－D．由于催化劑的加入降低了反應的活化能，使該反應活化能低于98kJ·mol－1D[總反應為2H2O2=2H2O＋O2↑，速率之比等于化學計量數之比，則總反應中v(H2O2)∶v(O2)＝2∶1，A正確；I－為催化劑，則H2O2的分解速率與I－的濃度有關，B正確；IO－為中間產物，該反應的催化劑是I－，C正確；催化劑可降低反應的活化能，但其活化能的大小不能確定，D錯誤。]題組三有關活化能的圖像分析6．如圖(Ea表示活化能)是CH4與Cl2生成CH3Cl的部分反應過程中各物質的能量變化關系圖，下列說法正確的是()A．Cl·可由Cl2在高溫條件下生成，是CH4與Cl2反應的中間產物B．升高溫度，反應速率加快，但活化分子的百分數不變C．增大Cl2的濃度，既可提高反應速率，又可減小ΔHD．第一步反應的速率大于第二步反應A[CH4與Cl2生成CH3Cl的反應方程式為：CH4＋Cl2eq\o(→,\s\up7(光照))CH3Cl＋HCl。A.Cl·由Cl2在光照條件下生成，是CH4與Cl2反應的“中間產物”，選項A正確；B.Ea1、Ea2分別為第一步反應、第二步反應所需活化能，升高溫度，反應所需活化能不變，即Ea1、Ea2不變，但活化分子的百分數增多，反應速率加快，選項B錯誤；C.Cl2是該反應的反應物，增大反應物的濃度，反應速率增大，而反應的ΔH和反應的途徑無關，只與反應的始態和終態有關，即增大氯氣的濃度不影響ΔH的大小，選項C錯誤；D.第一步反應所需活化能Ea1大于第二步反應所需活化能Ea2，第一步反應單位體積內活化分子百分數低于第二步反應，故第二步反應速率更大，選項D錯誤。答案選A。]7．(2022·江西南昌大學附屬中學高二期末)在含Fe3＋的S2Oeq\o\al(2－,8)和I－的混合溶液中，反應S2Oeq\o\al(2－,8)(aq)＋2I－(aq)=2SOeq\o\al(2－,4)(aq)＋I2(aq)的分解機理及反應過程中的能量變化為：步驟①：2Fe3＋(aq)＋2I－(aq)=I2(aq)＋2Fe2＋(aq)步驟②：2Fe2＋(aq)＋S2Oeq\o\al(2－,8)(aq)=2Fe3＋(aq)＋2SOeq\o\al(2－,4)(aq)下列有關該反應的說法正確的是()A．反應速率與Fe3＋的濃度有關B．Fe2＋是該反應的催化劑C．v(S2Oeq\o\al(2－,8))＝v(I－)＝v(I2)D．若不加Fe3＋，則正反應的活化能比逆反應的大A[由題中信息知Fe3＋為該反應的催化劑，所以反應速率與Fe3＋的濃度有關，A正確、B錯誤；由反應S2Oeq\o\al(2－,8)(aq)＋2I－(aq)=2SOeq\o\al(2－,4)(aq)＋I2(aq)可知，S2Oeq\o\al(2－,8)～2I－～I2，則2v(S2Oeq\o\al(2－,8))＝v(I－)＝2v(I2)，C錯誤；由圖像可知該反應是放熱反應，則正反應的活化能比逆反應的小，D錯誤。]8．某反應歷程包含兩個基元反應，能量變化如圖所示(E為正值，單位：kJ·mol－1)。下列說法正確的是()A．該總反應的活化能Ea＝E1＋E3B．對于Ea>0的反應，必須加熱才能進行C．該總反應的焓變ΔH＝－(E4＋E2－E1－E3)D．此條件下，基元反應的反應速率第二個大于第一個C[該反應的活化能為反應物的能量和過渡態Ⅱ的能量之差，即Ea＝E3－(E2－E1)，A錯誤；根據活化能不能判斷反應發生的條件，B錯誤；焓變＝E(正反應活化能)－E(逆反應活化能)，所以ΔH＝E1＋E3－(E4＋E2)＝－(E4＋E2－E1－E3)，C正確；據題圖可知第一個基元反應的活化能E1小于第二個基元反應的活化能E3，活化能越小反應速率越快，則此條件下，基元反應的反應速率第一個大于第二個，D錯誤。]9．N2O和CO是環境污染性氣體，可在Pt2O＋表面轉化為無害氣體，其反應原理為N2O(g)＋CO(g)CO2(g)＋N2(g)ΔH，有關化學反應的物質變化過程及能量變化過程分別如圖甲、乙所示。下列說法不正確的是()A．ΔH＝ΔH1＋ΔH2B．ΔH＝－226kJ·mol－1C．該反應正反應的活化能小于逆反應的活化能D．為了實現轉化，需不斷向反應器中補充Pt2O＋和Pt2Oeq\o\al(＋,2)D[①N2O(g)＋Pt2O＋(s)=Pt2Oeq\o\al(＋,2)(s)＋N2(g)ΔH1，②Pt2Oeq\o\al(＋,2)(s)＋CO(g)=Pt2O＋(s)＋CO2(g)ΔH2，根據蓋斯定律，①＋②得到N2O(g)＋CO(g)CO2(g)＋N2(g)ΔH＝ΔH1＋ΔH2，故A正確；由題圖分析可知，反應物的總能量高于生成物的總能量，反應為放熱反應，反應焓變ΔH＝134kJ·mol－1－360kJ·mol－1＝－226kJ·mol－1，故B正確；正反應的活化能Ea＝134kJ·mol－1小于逆反應的活化能Eb＝360kJ·mol－1，故C正確；反應過程中Pt2O＋和Pt2Oeq\o\al(＋,2)參與反應后又生成，不需要補充，故D錯誤。][能力提升]10．用氫氣還原氮氧化物的反應為2H2＋2NO=2H2O＋N2，該反應速率與反應物濃度之間滿足關系：v＝k·cm(H2)·cn(NO)，其中k是一個常數，m、n的值可由實驗測定。科研團隊測定了該反應在不同投料關系時N2起始反應速率，數據列于下表：實驗編號起始濃度/(×10－3mol·L－1)N2反應速率/(×10－3mol·L－1·s－1)NOH216.001.003.1926.002.006.3831.006.000.4842.006.001.92下列說法正確的是()A．m＝2、n＝1B．實驗2中NO的平均反應速率約為1.28×10－3mol·L－1·s－1C．增大反應物濃度，活化分子百分數增大，有效碰撞次數增大D．與H2相比，NO濃度的變化對反應速率影響更為顯著D[利用編號1和2的實驗數據，eq\f(1,2m)＝eq\f(3.19,6.38)，可以求出m＝1，利用編號3和4的實驗數據，eq\f(1,2n)＝eq\f(0.48,1.92)，可以求出n＝2，故A項錯誤；化學反應速率之比等于化學計量數之比，2v(N2)＝v(NO)，則NO的平均反應速率約為1.28×10－2mol·L－1·s－1，故B項錯誤；增大反應物濃度，活化分子數目增多，但是活化分子百分數不變，有效碰撞次數增大，故C項錯誤；n＝2，指數較大，對速率影響較大，或者經過數據對比，也可以得知，NO濃度的變化對反應速率影響更為顯著，故D項正確。]11．(2022·江西宜春高二期末)回答下列問題：(1)已知1molN2(g)與適量O2(g)反應生成NO(g)，需吸收68kJ的熱量，該反應的熱化學方程式為_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(2)請認真觀察下圖，然后回答問題。①該反應的ΔH＝___________(用含E1、E2的代數式表示)。若向該反應中加入合適的催化劑，活化能__________(填“升高”“降低”或“不變”)，ΔH__________(填“升高”“降低”或“不變”)。②若該圖表示2H2O2(l)2H2O(l)＋O2(g)ΔH＝－73.5kJ·mol－1，該反應的活化能為54.3kJ·mol－1，則其逆反應的活化能為______kJ·mol－1。(3)已知光照條件下，甲烷氯化反應是一個自由基型的取代反應。在鏈轉移反應過程中，經歷兩步反應：(·CH3和Cl·分別表示甲基和氯原子)反應1：CH4(g)＋Cl·(g)→·CH3(g)＋HCl(g)反應2：·CH3(g)＋Cl2(g)→CH3Cl(g)＋Cl·(g)各物質的相對能量變化如圖所示。①該鏈轉移反應的反應速率由第___________步反應決定。②由圖可知，過渡態結構的穩定性：過渡態1____過渡態2(填“<”“>”或“＝”)。解析：(1)1molN2(g)與適量O2(g)反應，生成NO(g)，吸收68kJ熱量，反應吸熱時焓變為正值，所以該反應的熱化學方程式為N2(g)＋O2(g)=2NO(g)ΔH＝＋68kJ·mol－1；(2)①該反應的ΔH＝生成物的總能量－反應物的總能量＝(E2－E1)kJ/mol；催化劑可降低反應的活化能，但不改變始末態，ΔH不變；②ΔH＝正反應活化能－逆反應活化能＝54.3kJ·mol－1－x＝－73.5kJ·mol－1，x＝127.8kJ·mol－1；(3)①由題圖可知，鏈轉移反應的第1步活化能大，為慢反應，化學反應取決于慢反應，