单元教学设计6 化学动力学-高中化学单元教学设计

>> 090 单元教学设计 6  化学动力学  ★ 一、单元教学主题确定 化学反应速率知识属于动力学范畴，是学生要掌握的重要理论，有助于学生理 解元素化合物及化学反应的知识。 化学反应的动力学内容对学生认识生活生产和科学研究有着重要意义。通过本 部分的学习，能帮助学生建立选择适宜生产条件的速率视角，此过程可以让学生体 会化学理论对实际生产的指导作用，帮助学生进一步认识生产条件的选择与科技进 步及动力、材料、设备等条件的改善密切相关，体会化学知识的社会价值。 化学反应速率概念理论性较强，且是高考热点。涉及的专有名词较多，如活化 能、基元反应、反应历程、反应机理、碰撞理论等，分析这些抽象名词的逻辑关系， 将其用一种易于学生接受的方式呈现出来，有利于学生更好地从微观角度理解反应 速率，建立反应速率的认识模型。新授课教学过程中，对此部分的内容仅以新人教 版为参考，考虑到近几年高考热点，为使学生进一步突破化学反应速率这一难点， 有必要在设计过程中引入鲁科版中过渡态理论等相关内容。 基于以上分析，本单元的教学主题定为动力学。我们将诸多知识及概念进行整 合，确定化学反应的计算和大小比较，借助速率方程和速率常数解释影响化学反应 速率的因素、化学反应历程与催化机理。这一学习主线的目的是让学生形成专有的 认识思路和认知模型，丰富学生对化学反应变化观的认识。 　单元教学设计 6  化学动力学　 091 <<  ★ 二、单元教学内容分析 （一）在教材中的地位和作用 在现行高中教材中，动力学内容主要为化学反应速率，分布在新人教版必修第 二册第六章第二节及选择性必修 1 第二章第一节。 必修阶段侧重从宏观角度定性认识化学反应速率，主要涉及化学反应速率的概 念、实验探究影响化学反应速率的因素，如在探究温度对过氧化氢分解反应速率影 响时，通过观察不同温度下产生气泡的快慢来进行比较。 选择性必修 1 侧重从定量角度认识化学反应速率及从微观角度进行解释。用不 同物质表示同一化学反应的速率；定性与定量研究影响化学反应速率的因素，如研 究浓度对反应速率的影响时，以锌与稀硫酸反应为例，以硫酸浓度为变量，测定收 集 10 mL H2 所用时间比较反应速率大小；从微观角度通过活化能与简单碰撞理论解 释影响化学反应速率的因素。 本单元内容主要集中在选择性必修 1，其既是高考的热点，又对学生的思维能力 要求较高。因此，我们对三个不同版本的选择性必修 1 教材的具体学科知识和内容 编排整体思路进行比较分析，以期对确定本单元的教学内容及教学逻辑有帮助。 三个版本教材的主要内容均为“化学反应速率”“化学反应速率的影响因素”“化 学反应速率理论”“反应历程”四个模块。对这四个模块包含的具体学科知识进行统 计分析，发现三个版本教材关于化学反应速率模块的内容相同，其所包含的具体学 科知识均为反应速率的表示方法和实验测定；关于“化学反应速率的影响因素”模 块，三个版本教材均选取了浓度、温度、压强、催化剂及其他因素对反应速率的影 响这一知识。此外，人教版和苏教版还对这些影响因素进行了实验探究，而鲁科版 教材中则引入了速率方程及阿伦尼乌斯公式；关于“化学反应速率理论”模块，三 版教材均包括碰撞理论、活化能，而鲁科版和苏教版还对过渡态理论进行了介绍； 关于反应历程模块，三版教材选取的具体知识一致，均为基元反应。 人教版编写思路：化学反应速率的表示—化学反应速率的测定—实验探究：影 响化学反应速率的因素—反应历程与基元反应—碰撞理论对反应速率影响因素的 解释。 鲁科版编写思路：反应历程与基元反应—化学反应速率的表示方法与测定—浓 >> 092 　高中化学单元教学设计　 度对化学反应速率的影响（速率方程）—温度对化学反应速率的影响（活化能）— 催化剂对化学反应速率的影响（反应历程）。 苏教版编写思路：化学反应速率的表示—化学反应速率的测定—实验探究：化 学反应速率的影响因素—理论分析：碰撞理论与过渡态理论—基元反应模型—化学 反应速率的辩证分析与合理应用。 （二）在教学中的地位和作用 《普通高中化学课程标准（2017 年版 2020 年修订）》中关于本单元的内容要求为 知道化学反应平均速率的表示方法，通过实验探究影响化学反应速率的因素。认识 化学反应是有条件的，学习运用变量控制方法研究化学反应，了解控制反应条件在 生产和科学研究中的作用。 本单元内容理论概念多、逻辑结构强，对学生的思维方法和能力要求比较高。 对比三本教材的编写思路并结合学生的思维发展水平，确定本单元教学逻辑按照“概 念表征—实验探究—理论分析”由易到难进行。结合近几年高考热点，确定在教学 过程中引入鲁科版“过渡态理论”，填充人教版关于此知识的空白。基于以上分析， 确定如下教学逻辑，首先能从不同角度计算和比较化学反应速率的大小，然后是借 助速率方程和速率常数解释影响化学反应速率的因素，最后能从反应历程和催化机 理视角认识反应速率。  ★ 三、单元教学学情分析 （一）学生已有知识和能力 学生通过新授课及前阶段一轮复习的学习，知道化学反应速率的概念、定量表 示方法及其影响因素，能用简单碰撞理论解释反应条件对反应速率的影响，初步建 立了定性与定量、宏观与微观相结合等认识化学反应的视角。 （二）学生学习障碍点 学生已储备了本单元的基本知识，但在解决问题时缺乏系统的模型方法。在外 　单元教学设计 6  化学动力学　 093 << 界条件和斜率同时存在时比较反应速率，对于何时对比外界条件，何时比较斜率， 缺乏清晰认识；面对多因素对反应速率影响的图像考查时，尤其在多因素解释速率 变化原因时需要学生调动高级思维辩证分析，学生缺乏系统的分析方法；关于对反 应速率理论“碰撞理论及过渡态理论”的认识仅限于表层且比较混乱，甚至分不清 碰撞理论和过渡态理论，在用两个理论进行解释时无法抓住关键因素。 （三）学生学习发展点 学生的障碍点即为学习的发展点，因此教师在教学中要选取合适的教学内容帮 助学生厘清各种问题的解决方法，构建认知模型，使学生能对复杂化学问题的关键 要素进行分析，进而选择合适的模型解决问题。因此，教师在本单元授课中要注意 设计进阶学习，问题逐步从简单到复杂，解决方法从低水平到高水平，模型训练从 陌生到熟练，保证学生学习任务的连贯性、科学性和发展性，对化学反应原理核心 概念和理论的建构产生深远影响。  ★ 四、本单元的概念层级 第 6 单元的概念层级如表 6-1 所示。 表6-1　第6单元的概念层级 学科大概念 化学反应是有快慢的 化学反应是有历程的 学科核心概念 化学反应速率 影响速率的因素 碰撞理论 过渡态理论 学科基本概念 平均速率、瞬时速率、速 率方程、反应速率常数 温度、浓度、压强、 催化剂 基元反应、自由基、活化能、 活化分子 >> 094 　高中化学单元教学设计　  ★ 五、单元教学目标设计 1. 感受化学反应的快慢，能够设计简单实验方法测定并比较化学反应速率 的快慢，体会由定性到定量，由简单到复杂的科学探究过程；能从定量的角度 认识化学反应速率，可以计算简单体系和复杂体系的化学反应速率，并能比较 反应速率的大小。 2.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。 能用简单碰撞理论、过渡态理论从微观层面解释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，培养宏微结合的认识思路。能利用过渡态理论 分析化学反应能量变化图，并判断决速步、过渡态、中间产物等。能分析催化 剂的催化历程与催化剂的选择性。 3. 认识速率方程和速率常数，能够基于速率方程讨论浓度、温度和催化剂 对反应速率的影响。能基于阿伦尼乌斯公式分析速率常数随温度变化的关系。  ★ 六、单元教学评价目标设计 1. 通过讨论如何衡量化学反应的快慢，诊断并发展学生从定性与定量角度 认识化学反应速率的水平。 2. 通过运用有效碰撞理论、过渡态理论解释影响化学反应速率的因素，体 会理论模型的建构过程，培养宏微结合的认识思路，诊断并发展学生理论与现 象的联系水平。 3. 通过对能量图的分析和简单计算，诊断并发展学生对化学反应本质的认 识进阶。 4. 通过催化剂带来的价值培养学生的科学态度与社会责任，提升学生对化 学改变世界的认知。 　单元教学设计 6  化学动力学　 095 <<  ★ 七、单元整体教学框架 第 6 单元可分为 3 个课时，他们的教学知识框架如图 6-1 ～图 6-3 所示。 图 6-1　第 6 单元第 1 课时的教学框架 图 6-2　第 6 单元第 2 课时的教学框架 >> 096 　高中化学单元教学设计　 图 6-3　第 6 单元第 3 课时的教学框架  ★ 八、单元整体教学流程 （一）第 1课时：化学反应速率的计算和大小比较 【板块一】基于三行式计算简单体系化学反应速率。 【教学情境】化学反应快慢的定量表达常以表格数据或图像的形式呈现，均以三 行式的计算为基础。 【任务 1】分析下列表格数据并完成下题，归纳化学反应速率计算方法和注意 事项。 一定温度下，在 N2O5 的四氯化碳溶液（100 mL）中发生分解反应：2N2O5   4NO2+O2。在不同时刻测量放出的 O2 体积，换算成 N2O5 浓度如表 6-2 所示。 表6-2　N2O5浓度与时间的对应关系表 t/s 0 600 1 200 1 710 2 220 2 820 x c(N2O5)/（mol·L-1） 1.40 0.96 0.66 0.48 0.35 0.24 0.12 　单元教学设计 6  化学动力学　 097 << （1）600 ～ 1 200 s，生成 NO2 的平均速率为多少？ （2）反应 2 220 s 时，放出的 O2 体积为多少？（标准状况） （3）推测上表中的 x 是多少？ 【学生活动】分析数据，利用三行式计算平均反应速率并推测 x 值。 【任务 2】分析下图并完成下列题目，归纳读图注意事项，体会化学反应速率表 示的多样性。 反应 AX3(g)+X2(g) ⇌ AX5(g) 在容积为 10 L 的密闭容器中进行。起始时 AX3 和 X2 均为 0.2 mol，反应在不同条件下进行，反应体系总压强随时间的变化如图 6-4 所示。 p t 图 6-4　反应体系总压强随时间的变化曲线 计算实验 a 从反应开始至达到平衡时的反应速率 v（AX5）＝ mol·L- ¹·min- ¹， v（AX5）＝ kPa·min-¹。 【学生活动】分析图像用一定时间内物质浓度变化和压强变化计算化学反应 速率。 【设计意图】定量描述化学反应速率是高中化学课程要求必备能力。化学反应 速率常指平均速率，其表示形式多样，如一定时间内的浓度、压强、气体体积变化， 要注意单位准确书写：mol·L-¹·min-¹、mol·L-¹·s-¹、kPa·min-¹ 等。 【板块二】基于平行和连续反应特点计算复杂体系化学反应速率。 【教学情境】平行反应和连续反应是多重平衡体系中较为重要和常见的两类反 应，速率计算首先要厘清反应体系中物质变化的关系。 【任务 3】根据题中信息完成下列题目，分析并归纳平行反应特点。 室温下，某溶液初始时仅溶有 M 和 N 且浓度相等，同时发生以下两个反应： ① M+N=X+Y；② M+N=X+Z，反应①的速率可表示为 v1=k1c2(M)，反应②的 速率可表示为 v2=k2c2(M)（k1、k2 为速率常数）。反应体系中组分 M、Z 的浓度随时 >> 098 　高中化学单元教学设计　 间变化情况如图 6-5 所示。请根据图 6-5 完成下列题目。 c c 图 6-5　组分M、Z 的浓度随时间变化情况 （1）0 ～ 30 min 时间段内，M 的平均反应速率为 ，Y 的平均反应速率 为 。 （2）反应任一时刻，①和②的速率比 （选填“增大”“减小”或“不 变”），判断的理由是什么？ 【学生活动】学生完成题目并归纳平行反应特点，总结平行反应的计算方法。 【任务 4】根据题中信息完成下列题目，分析并归纳连续反应特点。 反应经历两步：① X Y→ ；② Y 2Z→ 。反应体系中 X、Y、Z 的浓度 c 随时 间 t 的变化曲线如图 6-6 所示。 t sttt c c 图 6-6　X、Y、Z 的浓度随时间的变化曲线 （1）0 ～ t1 时间内，反应①的化学反应速率 v(X) ＝ ，反应②的化学反应 速率 v(Z) ＝ 。 （2）t2 时，Y 的消耗速率 生成速率（“大于”“小于”或“等于”）。 （3）t3 后，c(Z) ＝ （用 c0 和 c(Y) 表示）。 【学生活动】学生完成题目并归纳连续反应特点，总结连续反应的计算方法。 【设计意图】复杂体系中的平行反应和连续反应是高考中高频出现的难点。该板 　单元教学设计 6  化学动力学　 099 << 块意在通过对比引导学生初步形成处理复杂体系的一般方法：多重反应体系速率计 算，首先要梳理体系中各个反应的关系，据此再利用三行式进行计算。 【板块三】化学反应速率大小比较。 【教学情境】在简单体系和复杂体系中，化学反应速率大小比较分析侧重各不 相同。 【任务 5】根据题中信息完成下列题目，归纳简单体系中化学反应速率大小比较 的方法。 环戊二烯容易发生聚合生成二聚体，该反应为可逆反应。不同温度下，溶液 中环戊二烯浓度与反应时间的关系如图 6-7 所示，下列说法正确的是 （填 标号）。 T T 图 6-7　溶液中环戊二烯浓度与反应时间的关系曲线 A. T1 ＞ T2 B. a 点的反应速率小于 c 点的反应速率 C. a 点的正反应速率大于 b 点的逆反应速率 D. b 点时二聚体的浓度为 0.45 mol·L-¹ 【学生活动】学生完成题目，归纳化学反应速率大小比较的注意事项。 【任务 6】根据题中信息完成下列题目，归纳复杂体系中化学反应速率大小比较 的方法。 CO2 捕获和转化可减少 CO2 排放并实现资源利用，原理如图 6-8 所示。反应① 完成之后，以 N2 为载气，以恒定组成的 N2、CH4 混合气，以恒定流速通入反应器， 单位时间流出气体各组分的物质的量随反应时间变化如图 6-9 所示。反应过程中始 终未检测到 CO2，在催化剂上有积碳。下列说法不正确的是（　　）。 >> 100 　高中化学单元教学设计　 t t t 图 6-8　CO2 捕获和转化的原理图 t t t 图 6-9　单位时间流出气体各组分的物质的量随反应时间变化的曲线 A. 反应①为 CaO+CO2=CaCO3 ；反应②为 CaCO3+CH4 催化剂 CaO+2CO+2H2 B. t1 ～ t3，n(H2) 比 n(CO) 多， 且 生 成 H2 速 率 不 变， 可 能 有 副 反 应 CH4 催化剂 C+2H2 C. t2 时刻，副反应生成 H2 的速率大于反应②生成 H2 速率 D. t3 之后，生成 CO 的速率为 0，是因为反应②不再发生 【学生活动】学生独立完成后小组交流、汇报，分析图像多重复杂反应的关系， 比较各个反应速率的大小。 【设计意图】化学反应速率大小定性判断速率比较时不能只比较数值大小，要进 行换算。化学反应速率大小比较要注意区分平均反应速率和瞬时速率。 （二）第2课时：借助速率方程和速率常数解释影响化学反应速率的因素 【板块一】基于速率常数和速率方程讨论浓度、温度和催化剂对化学反应速率的 影响。 【教学情境】资料一：补充关于速率常数、速率方程相关资料。 （1）速率方程：对于基元反应 aA(g)+bB(g)   cC(g)+dD(g)，其速率可表示为 v ＝ k·ca(A)·cb(B)，即速率方程。式中的 k 称为反应速率常数。 　单元教学设计 6  化学动力学　 101 << （2）速率常数：不同反应有不同的速率常数。 速率常数是其比例常数，与浓度无关，但受温度、催化剂、固体表面性质等因 素的影响。 【任务 1】初步认识速率方程和速率常数。 例 1　 某 合 成 氨 速 率 方 程 为 v=k cɑ(N2)cβ(H2)cγ(NH3)， 根 据 表 6-3 中 数 据， γ = 。 表6-3　各物质的浓度及反应速率表 实  验 c(N2)/mol·L-1 c(H2)/mol·L-1 c(NH3)/mol·L-1 v/mol·L-1·s-1 1 m n p q 2 2m n p 2q 3 m n 0.1p 10q 4 m 2n p 2.828q 在合成氨过程中，需要不断分离出氨的原因为 。 A. 有利于平衡正向移动 B. 防止催化剂中毒 C. 提高正反应速率 例2　T℃时，在刚性反应器中发生如下反应：CO(g)+NO2(g)  CO2(g)+NO(g)， 化学反应速率 v =k pm(CO)pn(NO2)，k 为化学反应速率常数。研究表明，该温度下反应 物的分压与化学反应速率的关系如表 6-4 所示： 表6-4　该温度下反应物的分压与化学反应速率的关系表 P（NO2）/kPa P（CO）/kPa 10 20 30 10 0.009 0.018 0.027 20 0.018 0.036 0.054 30 0.027 0.054 0.081 若反应初始时 P(CO)=P(NO2)=a kPa，反应 t min 时达到平衡，测得体系中 P(NO)=b kPa。则此时 v = kPa·s-¹（用含有 a 和 b 的代数式表示）。 【任务 2】基于速率方程并结合表 6-5、表 6-6 和表 6-7 的数据讨论浓度、温度 和催化剂对化学反应速率的影响。 >> 102 　高中化学单元教学设计　 表6-5　一些化学反应的速率与参与反应物质的浓度的关系 化学反应 反应速率与参与反应物质的浓度 H2+Cl2=2HCl v=kc(H2) c (Cl2) H2+I2=2HI（气体反应） v=kc(H2) c (l2) CO+NO2=CO2+NO v=kc2 (NO2) 表6-6　一些反应在不同温度时的反应速率常数之比 化学反应 k k (298K) (308K) NO+O3=NO2+O2 1.15 H2+I2=2HI（气体反应） 8.99 NH4CNO=CO(NH2)2 3.58 表6-7　一些化学反应使用催化剂前后的活化能及反应速率常数之比 化学反应 催化剂 Ea / (kJ mol )· −1 （催） （无） k k无催化剂 有催化剂 C12H22O11( 蔗糖 ) +H2O=C6H12O6（葡萄糖） +C6H12O6( 果糖 ) 蔗糖酶 107 36 9.2×1011（310K） 2HI=H2+I2 金 184 105 1.6×108（503K） CH3CHO=CH4+CO 碘 210 136 7.5×104（793K） 2H2O2=2H2O+O2 过氧化氢酶 75 25 5.8×108（298K） 【学生活动】基于速率方程结合表 6-5 认识浓度对化学反应速率的影响；结合表 6-6 的数据，认识温度对化学反应速率的影响；结合表 6-7 的数据，对认识催化剂对 化学反应速率的影响，完成后小组总结归纳。 例 3　（2020 全 国 Ⅱ 卷 28 节 选 ） 高 温 下， 甲 烷 生 成 乙 烷 的 反 应 如 下： 2CH C H + H4 2 6 2→ 高温 。反应在初期阶段的速率方程为 v=k×c(CH4)，其中 k 为反应速 率常数。 ①设反应开始时的反应速率为 v1，甲烷的转化率为 α时的反应速率为 v2，则 v2= v1。 　单元教学设计 6  化学动力学　 103 << ②对于处于初期阶段的该反应，下列说法正确的是 （填序号）。 A. 增加甲烷浓度，v 增大 B. 增加 H2 浓度，v 增大 C. 乙烷的生成速率逐渐增大 D. 降低反应温度，k 减小 【板块二】基于阿伦尼乌斯公式分析速率常数与温度变化的关系。 【教学情境】资料三：阿伦尼乌斯公式：k = Ae - RT Ea 该经验公式表明，当 Ea ＞ 0 时，升高温度，反应速率常数增大，化学反应速率 随之提高。由该公式还可知，Ea 值越大，改变温度对反应速率的影响程度就越大。 这就是升高相同温度时，不同化学反应的速率提高的倍数不同的原因。 【任务 3】认识阿伦尼乌斯公式，结合相关例题了解速率常数随温度变化的关系。 例 4　 已 知 阿 伦 尼 乌 斯 经 验 公 式 为 R k R Aln = ln - E T a （Ea 为 活 化 能，k 为 反 应 速 率 常 数，R、A 为 常 数 ）。 丙 烷 脱 氢 制 备 丙 烯 反 应 C3H8(g)=C3H6(g)+H2(g) 在 某条件下的阿伦尼乌斯经验公式的实验数据如图 6-9 中曲线 a 所示，其活化能为 J·mol-1（用含 x1、x2、y1、y2 的代数式表示），当其实验数据发生变化如 图 6-10 中曲线 b 所示，则可能的原因是 。 R k x1, y1 x2, y2 T O 图 6-10　在某条件下的阿伦尼乌斯经验公式的实验数据图 例 5　（2022 河北 13 双选）恒温恒容条件下，向密闭容器中加入一定量 X，发 生反应的方程式为：① X=Y；② Y=Z。反应①的速率 v1=k1c(X)，反应②的速 率 v2=k2c(Y)，式中 k1、k2 为速率常数。图 6-11 为该体系中 X、Y、Z 浓度随时间变 化的曲线，图 6-12 为反应①和②的 lnk − T 1 曲线。下列说法错误的是（　　）。 >> 104 　高中化学单元教学设计　 c ln k T tO O T 1 图 6-11　该体系中 X、Y、Z 浓度随时间变化的曲线 c ln k T tO O T 1 图 6-12　反应①和②的 lnk − T 1 曲线 A. 随 c(X) 的减小，反应①、②的速率均降低 B. v(X)=v(Y)+v(Z) C. 欲提高 Y 的产率，需提高反应温度且控制反应时间 D. 温度低于 T1 时，总反应速率由反应②决定 【学生活动】利用阿伦尼乌斯公式，结合一次函数图像，完成相关题目，并进行 总结： 升高温度，反应速率常数增大，化学反应速率随之提高。 Ea 值越大，改变温度对反应速率的影响程度就越大。 【设计意图】基于阿伦尼乌斯公式的视角厘清速率常数随温度变化的关系。 【板块三】应用速率常数和速率方程预测反应体系中物理量变化。 【教学情境】在很多高考题中，学生需要学会利用速率常数和速率方程来分析体 系中某些量的变化。 【任务 4】根据题中信息完成下列题目，利用速率常数和速率方程讨论体系中某 些量的变化。 例 6　（2018·全国Ⅱ卷·27）在一定温度下，测得某催化剂上沉积碳的生成 速率方程为 v=k·p(CH4)·p[(CO2)]-0.5（k 为速率常数）。在 p(CH4) 一定时，不同 p(CO2) 下积碳量随时间的变化趋势如图 6-13 所示，则 pa(CO2)、pb(CO2)、pc(CO2) 从 　单元教学设计 6  化学动力学　 105 << 大到小的顺序为 。 图 6-13　不同 p(CO2) 下积碳量随时间的变化趋势图 【 例 7】（2020·全 国 Ⅰ 卷·28） 研 究 表 明，SO2 催 化 氧 化 的 反 应 速 率 方 程 为 v=k( α α ′ − 1 )0.8(1- nα′ )。 式中：k 为反应速率常数，随温度 t 升高而增大； α 为 SO2 平衡转化率， α′ 为某 时刻 SO2 转化率，n 为常数。在 α′ =0.90 时，将一系列温度下的 k、 α 值代入上述速 率方程，得到 v-t 曲线，如图 6-14 所示。 t v α 图 6-14　v-t 曲线 曲线上 v 最大值所对应温度称为该 α′ 下反应的最适宜温度 tm。当 t ＜ tm 时，v 逐渐提高；当 t ＞ tm 后，v 逐渐下降。原因是 。 【学生活动】完成题目，利用速率常数和速率方程讨论体系中某些量的变化，并 结合速率常数和速率方程分析图像多重复杂反应的关系。 【设计意图】在认识了速率常数和速率方程后，结合题中所给出的图像，引导学 生从速率常数和速率方程的角度讨论外界条件改变对化学反应速率的影响。 >> 106 　高中化学单元教学设计　 （三）第3课时：化学反应历程与催化机理 【板块一】基于有效碰撞理论微观解释影响化学反应速率的不同因素。 【教学情境】基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生碰撞，反应速率 的大小与单位时间内反应物分子间的碰撞次数成正比，但并不是每次碰撞都能引起 反应，能发生化学反应的碰撞称为有效碰撞，单位时间内有效碰撞的次数越多，则 反应速率越大。 【任务 1】了解有效碰撞、活化分子、活化能等概念，尝试利用有效碰撞理论分 析活化分子、有效碰撞与反应速率的关系。 （1）有效碰撞概念：能够发生化学反应的分子（或原子）的碰撞叫作 。 在化学反应中，反应物分子不断发生碰撞，在千百万次碰撞中，大多数碰撞 不发生反应，只有少数分子的碰撞才能发生化学反应，能发生有效碰撞的分子是 。而活化分子的碰撞也不一定都能发生有效碰撞。发生有效碰撞的分子 有能量因素，还有空间因素，即 ，只有同时满足这两者的要求才能发生 有效碰撞。 （2）活化分子、活化能、有效碰撞： ①活化分子：能够发生有效碰撞的分子（必须具有足够的能量）。 ②活化能：如图 6-15 所示，E1 表示 ，E2 表示 ，反应热 为 （注：E2 表示活化分子变成生成物分子放出的能量）。 E E 图 6-15  发生有效碰撞的反应过程中能量的变化图 ③有效碰撞：活化分子之间能够引发化学反应的碰撞。 【学生活动】学习有效碰撞、活化分子、活化能等概念，分析能量图，判断活化能， 利用有效碰撞理论分析活化分子、有效碰撞与反应速率的关系，完成表 6-8 的填写。 　单元教学设计 6  化学动力学　 107 << 表6-8　活化分子、有效碰撞与反应速率的关系表 条件改变 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 增大压强 升高温度 加催化剂 【任务 2】完成下题，总结有效碰撞理论的核心要点。 例 1　（2018·全国卷 Ⅰ）（3）对于反应 2N2O5(g)→4NO2(g)+O2(g)，R.A.Ogg 提出如下反应历程： 第一步　N2O5   NO2+NO3　快速平衡 第二步　NO2+NO3→NO+NO2+O2　慢反应 第三步　NO+NO3→2NO2　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 （填标号）。 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. 第三步反应活化能较高 【学生活动】完成题目，归纳总结有效碰撞理论微观分析反应速率的基本策略： 条件改变→单位体积内活化分子数→有效碰撞几率→反应速率变化。 【板块二】基于过渡态理论微观解释影响化学反应速率的不同因素。 【教学情境】基元反应过渡态理论认为，基元反应在从反应物到产物的变化过程 中要经历一个中间状态，这个状态称为过渡态。 【任务 3】学习过渡态理论，能利用过渡态理论分析化学反应能量变化图，并判 断决速步、过渡态、中间产物等。 （1）过渡态理论概念：基元反应 H2+ Cl· → HCl+H·是 Cl·与 H2 分子碰 撞，导致 H—H 键断裂、H—Cl 键形成的过程。研究表明，这个过程需经历一个高 能量的中间状态，此时形成一种旧键没有完全断裂、新键没有完全形成的过渡态 H…H…Cl。过渡态的能量与反应物的平均能量之差 Ea 称为基元反应 H2+Cl·→ HCl+H·的活化能。活化能的存在是化学反应通常需要获得能量才能实际发生的原 >> 108 　高中化学单元教学设计　 因。不同的基元反应活化能大小不同，因此化学反应速率不同。显然，活化能越高， 反应越难发生。 （2）对活化能本质的认识：基元反应过渡态理论认为，基元反应在从反应物到 产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。 AB+C→［A…B…C］→A+BC 反应物 过渡态 反应产物 过渡态是反应过程中具有最高能量的一种结构状态，过渡态能量与反应物的平 均能量的差值相当于活化能。实验研究已证实过渡态确实存在。 （3）反应能量变化图的分析（图 6-16）： EE E O 图 6-16  反应能量变化图 ①物质判断：反应物为 ，生成物为 ，中间体为 ，过渡态 。 ②基元反应判断：总反应由 个基元反应构成，分别为 。 ③能量判断：Ea1 为 ；Ea2 为 ；E 为总反 应 。 由 A、B 生成 C 的反应为 （填“吸”或“放”，下同）热反应，由 C 生 成 D 的反应为 热反应，总反应为 热反应。 ④决速步判断：Ea1 Ea2，故决速步为第一步反应 。 【学生活动】阅读课本内容，学习过渡态理论，以及反应能量变化图，判断图中 决速步、过渡态、中间产物等。 【设计意图】课标要求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。 【任务 4】完成下列例题，总结过渡态理论的核心要点及反应能量变化图的分析 要点。 （1）反应物、生成物、过渡态物质分析。 　单元教学设计 6  化学动力学　 109 << 例 2　（2023 年全国甲卷）（3）MO+ 分别与 CH4、CD4 反应，体系的能量随反应 进程的变化如图 6-17 所示（两者历程相似，图中以 CH4 示例）。 MO + + M CH 4 O H HO d 2 CH 3 CH 3 M CH 3 M HO + + 1 CH 3 OH c M + 图 6-17　体系能量随反应进程的变化关系图 （ⅰ）步骤Ⅰ和Ⅱ中涉及氢原子成键变化的是 （填“Ⅰ”或“Ⅱ”）。 （ⅱ）直接参与化学键变化的元素被替换为更重的同位素时，反应速率会变慢， 则 MO+ 与 CD4 反应的能量变化应为图中曲线 （填“c”或“d”）。 （ⅲ）MO+ 与 CH2D2 反应，氘代甲醇的产量 CH2DOD CHD2OH（填 “＞”“＜”或“＝”）。若 MO+ 与 CHD3 反应，生成的氘代甲醇有 种。 （2）基元反应分析。 例 3　（2023 年湖北卷）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)→ H· C40H18(g)+H2(g) 的反应机理和能量变化如图 6-18、6-19 所示： H H H H C40H19' C40H19'C40H19'C40H20 H2 H 图 6-18　反应机理 >> 110 　高中化学单元教学设计　 C 40 H 20 +H C 40 H 19 +H C 40 H 19'+H C 40 H 18 +H +H 图 6-19　能量变化图 图示历程包含 个基元反应，其中速率最慢的是第 个。 （3）活化能、反应热分析。 例 4　（2023 年北京卷）二十世纪初，工业上以 CO2 和 NH3 为原料在一定温度 和压强下合成尿素。反应分两步： ⅰ．CO2 和 NH3 生成 NH2COONH4 ； ⅱ．NH2COONH4 分解生成尿素。 结合反应过程中能量变化示意图，如图 6-20 所示，下列说法正确的是 （填 序号）。 E O E E E 图 6-20　反应过程中能量变化示意图 A. 活化能：反应ⅰ＜反应ⅱ B. ⅰ为放热反应，ⅱ为吸热反应 　单元教学设计 6  化学动力学　 111 << C. CO2(l)+2NH3(l)=CO(NH2)2(l)+H2Ol(l) ΔH=E1-E4 （4）决速步分析。 例 5　（2021 年山东卷）18O 标记的乙酸甲酯在足量 NaOH 溶液中发生水解，部 分反应历程可表示为： 18O C OCH3H3C +OH - Ⅱ Ⅰ ↽⇀ 18O C OCH 3 OH H 3 C Ⅳ Ⅲ ↽⇀ 18O C OHH 3 C +CH3O-。能量变化如图 6-21 所示。已知 18O C OCH 3 OH H 3 C   18OH C OCH 3 O H 3 C 为快速平衡。下列说法正确的是（　　）。 C O OH H 3 C OCH 3 H 3 C OCH 3 +OH +CH 3 O O C O C 图 6-21　反应的能量变化图 A. 反应Ⅱ、Ⅲ为决速步 B. 反应结束后，溶液中存在 18OH- C. 反应结束后，溶液中存在 CH318OH D. 反应Ⅰ与反应Ⅳ活化能的差值等于图示总反应的焓变 （5）反应历程方程式书写。 例 6　（2019 年全国卷Ⅰ）水煤气变换［CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)］是 重要的化工过程，主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。回答下列 问题： 我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了在金催化剂表面上水煤气变换的 反应历程，如图 6-22 所示，其中吸附在金催化剂表面上的物种用·标注。 >> 112 　高中化学单元教学设计　 C O (g )+ 2H 2O (g ) C O 2(g )+ H 2(g )+ H 2O C O 2(g )+ H 2(g )+ H 2O (g ) C O +H 2O (g )+ H 2O (g ) C O +O H +H +H 2O (g ) C O O H +H +H 2O C O O H +2 H +O H 图 6-22　在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程 可知水煤气变换的 ΔH 0（填“大于”“等于”或“小于”），该历程中最大能 垒（活化能）E 正 = eV，写出该步骤的化学方程式 。 【学生活动】完成对应的典型例题，并归纳总结： （1）过渡态是反应过程中具有最高能量的一种结构状态，过渡态能量与反应物 的平均能量的差值相当于活化能。 （2）反应能量变化图的分析： 判断过渡态与中间产物；判断反应历程（基元反应）；判断活化能与决速步；计 算化学反应热。 【板块三】基元反应与过渡态理论分析催化剂的反应历程与催化剂的选择性。 【教学情境】近几年的高考题中，常用两种方式表达催化剂参与化学反应的历 程：一个封闭的圆环，或者能量 - 反应过程图像。 【任务 5】完成下列例题，掌握催化历程题目的分析要点。 例 7　（2021 年湖南卷）铁的配合物离子（用 [L Fe H- - ]+ 表示）催化某反应的 一种反应机理和相对能量的变化情况如图 6-23、6-24 所示： 　单元教学设计 6  化学动力学　 113 << H C O O + H C O O H + H C O O + C O 2 + H C O O + H 2 + C O 2 + H C O O H + H C O O H + C O 2 + HCOOH HCOO H+ H+ + H 2 H HO CO 2 O H 2 [L Fe H]+ L Fe H L Fe H L Fe H 图 6-23 铁的配合物离子催化某反应的一种反应机理 H C O O + H C O O H + H C O O + C O 2 + H C O O + H 2 + C O 2 + H C O O H + H C O O H + C O 2 + HCOOH HCOO H+ H+ + H 2 H HO CO 2 O H 2 [L Fe H]+ L Fe H L Fe H L Fe H 图 6-24  铁的配合物离子催化某反应的相对能量图。 下列说法错误的是（　　） A. 该过程的总反应为 HCOOH CO H催化剂 2 2↑ + ↑ B. H+ 浓度过大或者过小，均导致反应速率降低 C. 该催化循环中 Fe 元素的化合价发生了变化 >> 114 　高中化学单元教学设计　 D. 该过程的总反应速率由Ⅱ→Ⅲ步骤决定 例 8　（2016 年北京卷）以废旧铅酸电池中的含铅废料（Pb、PbO、PbO2、 PbSO4 及炭黑等）和 H2SO4 为原料，制备高纯 PbO，实现铅的再生利用。其工作流 程如图 6-25 所示： 图 6-25　以含铅废料和 H2SO4 为原料再生铅工艺流程图 （1）过程Ⅰ中，在 Fe2+ 催化下，Pb 和 PbO2 反应生成 PbSO4 的化学方程式 是 。 （2）过程Ⅰ中，Fe2+ 催化过程可表示为： i：2Fe2++PbO2+4H++SO24 −=2Fe3++PbSO4+2H2O ii：…… 写出 ii 的离子方程式： 。 【知识总结】 （1）催化剂一定在圆形环上，循环使用。原料从环外进入闭合的圆环，是反应 物；产品从环上离开圆环，是生成物。 （2）环状图着重表达物质结构变化，能量 - 反应过程图像则侧重于过程中的能 量变化。能垒（活化能）最大，反应速率最慢，对该过程的总反应起决定作用 . （3）催化剂是能加快化学反应速率而在反应前后本身的质量和化学性质不变的 物质。依据催化剂在反应前后质量和化学性质不变，反应 i+ 反应 ii= 总反应。 【设计意图】在充分掌握基元反应与过渡态理论的基础上，分析催化剂的反应历 程与催化剂的选择性。 【任务 6】完成下列典型例题，学习催化剂选择性的分析要点。 例 9　（2021年河北卷）当今，世界多国相继规划了碳达峰、碳中和的时间节点。 因此，研发二氧化碳利用技术，降低空气中二氧化碳含量成为研究热点。 在电解质水溶液中，三种不同催化剂（a、b、c）上 CO2 电还原为 CO 的反应进 程中（H+ 被还原为 H2 的反应可同时发生），相对能量变化如图 6-26 所示。由此判断， CO2 电还原为 CO 从易到难的顺序为 _______（用 a、b、c 字母排序）。 　单元教学设计 6  化学动力学　 115 << 图 6-26  原理题图 【知识总结】催化剂通过参与化学反应，改变反应历程，从而降低活化能，加快 反应速率，到达平衡所需的时间减少。但催化剂不能改变焓变，也不能使平衡移动。  ★ 九、教学反思 “化学反应速率”单元教学的设计，结合了人教版教材与鲁科版教材的优点，调 整了教学内容的顺序，更符合学生的认知规律，打破了传统教学的习惯，实现了从 单课时教学向整体单元教学的转变。由于需要为下节学习化学反应限度中的平衡常 数这一内容做好铺垫，本单元设计进行了质量作用定律的拓展，对速率常数、阿伦 尼乌斯公式等内容做了补充。对于学习基础相对薄弱的高中生来说，理解该内容就 有些困难，如何更好地把握知识与难度的处理，为下一节内容做好衔接，是需要思 考的问题。