2.1.2 碰撞理论和过渡态理论 课件 -2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第二章 化学反应速率与化学平衡 第二节 化学反应速率 课时2 碰撞理论和过渡态理论 2025/6/17 2 核心素养 宏观辨识与微观探析： 掌握活化能、碰撞理论的相关概念，了解过渡态理论；认识基元反应、活化能对化学反应速率的影响。 证据推理与模型认知： 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，同时，了解过渡态理论在反应历程中的应用。 2025/6/17 3 课堂导入 为什么氢气与氧气反应会出现如此大的差别？ 氢气与氧气的反应到底经过了怎样的历程？ 反应历程研究表明，氢气与氧气的反应属于复杂反应 2025/6/17 4 一、碰撞理论(重难点) 研究表明，氢气和氧气的混合气体在点燃或有催化剂存在的条件下，可以发生爆炸式反应生成液态水。 这个看似简单的化学反应实际上是具有历程的，大约要经历 12 步反应才能完成。以下列出主要的四步反应： 其中的每一步反应称为基元反应 2025/6/17 5 一、碰撞理论(重难点) 1. 基元反应 从微观上看，反应物分子一般总是经过若干个简单的反应步骤才最终转化为产物分子的。每一个简单的反应都称为一个基元反应。 反应历程是化学中用来描述某一化学变化所经由的全部基元反应，反应历程又称反应机理。 例如：反应2HI====H2+I2 第一步：2HI H2+2I· 第二步：2I· I2 2. 反应历程 带有单电子的原子或原子团叫自由基 2025/6/17 6 如何解释浓度、温度、压强及催化剂等因素对 ν 的影响呢？ 活化能 简单的碰撞理论 一、碰撞理论(重难点) 2025/6/17 7 一、碰撞理论(重难点) 3. 气体分子的碰撞 任何气体中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 时，在每立方厘米、每秒内反应物分子间的碰撞可达到 1028 次。如果反应物分子间的任何一次碰撞都能发生反应的话，任何气体的反应均可以瞬间完成。但实际并非如此。 请同学们查看教材 P26-HI 分解反应中分子碰撞示意图 2025/6/17 8 一、碰撞理论(重难点) 3. 气体分子的碰撞 能量不足， 碰撞无法发生反应 HI HI HI HI 取向不对， 碰撞无法发生反应 HI HI HI HI 有效碰撞， 发生反应 H2 I2 HI HI 2025/6/17 9 一、碰撞理论(重难点) 3. 气体分子的碰撞 力道不足 ——进不去球 取向不对 ——进不去球 力道、取向恰好 ——进球 2025/6/17 10 一、碰撞理论(重难点) 3. 气体分子的碰撞 这说明并不是反应物分子的每一次碰撞都能发生反应。我们把能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞 有效碰撞必须满足两个条件 发生碰撞的分子具有较高的能量 活化 分子 分子在一定方向上发生碰撞 合理 取向 具有发生化学反应(有效碰撞)所需最低能量状态的分子 2025/6/17 11 一、碰撞理论(重难点) 4. 活化能 能量 反应物 生成物 反应过程 活化能 E1 E2 活化分子变成生成物分子放出的能量 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 具有足够高的能量，能发生有效碰撞的分子 活化分子 反应物分子平均能量 ΔH 2025/6/17 12 一、碰撞理论(重难点) 4. 活化能 能量 反应物 生成物 反应过程 活化能 E1 E2 活化分子 ΔH E1：正反应的活化能(Ea) E2：逆反应的活化能(Ea) 反应热ΔH=E1E2=EaEa 放热反应：Ea+＜Ea 吸热反应：Ea+＞Ea 在其它条件不变时，增大反应物浓度，单位体积内活化分子的数目增大，单位时间内有效碰撞次数增多，化学反应速率加快；反之则慢 2025/6/17 13 一、碰撞理论(重难点) 5. 碰撞理论解释浓度对反应速率的影响 其它条件不变时 增大反应物浓度 活化分子 其它条件不变时，升高温度，单位体积内活化分子的数目增大，单位体积内活化分子百分数增多，单位时间内有效碰撞次数增多，化学反应速率加快；反之则慢 2025/6/17 14 一、碰撞理论(重难点) 5. 碰撞理论解释温度对反应速率的影响 其它条件不变时 升高温度 活化分子 在其它条件不变时，增大气体反应体系压强，相当于压缩体积，反应物的浓度增大，单位体积内活化分子数目增大，化学反应速率加快；反之则慢。(有气体反应) 2025/6/17 15 一、碰撞理论(重难点) 5. 碰撞理论解释压强对反应速率的影响 (1)恒温时改变体积改变压强 容器的温度不变 压缩体积 活化分子 2025/6/17 16 一、碰撞理论(重难点) 5. 碰撞理论解释浓度对反应速率的影响 (2)恒温恒容时，加入气体改变压强 在其它条件不变时，充入反应气体，压强变大，单位体积内活化分子的数目增大，单位时间内有效碰撞次数增多，化学反应速率加快；反之则慢 恒温恒容时 ①充入反应气体 活化分子 2025/6/17 17 一、碰撞理论(重难点) 5. 碰撞理论解释浓度对反应速率的影响 (2)恒温恒容时，加入气体改变压强 在其它条件不变时，充入无关气体，压强变大，但是单位体积内活化分子的数目不变，单位时间内有效碰撞次数不变，化学反应速率不变 恒温恒容时 ②充入无关气体 活化分子 2025/6/17 18 一、碰撞理论(重难点) 5. 碰撞理论解释浓度对反应速率的影响 恒温恒压时，充入无关气体，压强不变体积变大，单位体积内活化分子的数目减少，单位时间内有效碰撞次数减少，化学反应速率变小 恒温恒压时 充入无关气体 活化分子 (3)恒温恒压时，充入无关气体 2025/6/17 19 一、碰撞理论(重难点) 5. 碰撞理论解释催化剂对反应速率的影响 观察下图，思考：为什么催化剂对化学反应速率有显著影响？ 2025/6/17 20 一、碰撞理论(重难点) 5. 碰撞理论解释催化剂对反应速率的影响 能量 反应物 生成物 活化分子 反应过程 活化能 E1 E2 活化分子变成生成物分子放出的能量 E3 E3：加入催化剂后反应物的活化能 2025/6/17 21 一、碰撞理论(重难点) 5. 碰撞理论解释催化剂对反应速率的影响 其它条件不变时 加入催化剂 活化分子 当其他条件相同时，使用催化剂，改变反应历程，活化能降低，活化分子数目增多，百分数增大，单位体积、单位时间内有效碰撞次数增多→化学反应速率增大 2025/6/17 22 一、碰撞理论(重难点) 5. 碰撞理论解释催化剂对反应速率的影响 能量 反应物 生成物 活化分子 反应过程 活化能 E1 E2 活化分子变成生成物分子放出的能量 E3 E3：加入催化剂后反应物的活化能 由图像还可以看出， ①催化剂的存在并不改变反应物和生成物的相对能量，即不改变反应热 ②活化能越大，反应速率越小 2025/6/17 23 一、碰撞理论(重难点) 5. 碰撞理论解释催化剂对反应速率的影响 催化剂的特性 催化剂具有选择性，不同反应有不同的催化剂 01 可逆反应中催化剂对正、逆反应的速率改变程度相同 02 催化剂有一定的活化温度，不同催化剂的活化温度不同 03 2025/6/17 24 一、碰撞理论(重难点) 6. 其他因素对反应速率的影响 光辐照 电弧 放射线辐照 强磁场 超声波 高速研磨 总之，向反应体系输人能量，都有可能改变化学反应速率 2025/6/17 25 课堂练习 【例1】在带有活塞的密闭容器中发生如下反应：3Fe(s)＋4H2O(g)====Fe3O4(s)＋4H2(g)，分析改变下列条件化学反应速率如何改变(填“变大”“变小”或“不变”)，阐述理由。 (1)增加铁片的质量(不考虑表面积的变化)_____，理由____________________ _______________________________。 (2)保持容器的容积不变，增加水蒸气的通入量_____，理由_______________ _________________。 高温 (3)保持容器内压强不变，充入一定量的氩气_____，理由________________ _____________________________________________________________。 (4)保持容器的容积不变，充入一定量的氩气_____，理由________________ _____________________________________________________________。 例5 M ⇌N+Q是一放热的可逆基元反应,正反应的活化能为Ea,逆反应的活化能为E'a,则下列关于活化能大小关系的表述正确的是 (　) A.Ea>E'a B.Ea<E'a C.Ea= D.Ea=E'a B 例6 已知分解1 mol H2O2放出热量98 kJ,在含少量I-的溶液中,H2O2的分解分两步: ⅰ.H2O2+I- →H2O+IO-　慢反应 ⅱ.H2O2+IO- → H2O+O2↑+I-　快反应 下列有关反应的说法正确的是 (　) A.v(H2O2)=v(H2O)=v(O2) B.反应ⅰ比反应ⅱ的活化能小 C.H2O2分解速率与I-的浓度有关 D.H2O2 =H2O+O2　ΔH=-98 kJ·mol-1 C 课堂练习 2025/6/17 26 26 2025/6/17 27 一、碰撞理论(重难点) 活化分子、有效碰撞与反应速率的关系 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 ______   ______   ______   ______   ______   增加 增加 不变 增加 增大 增加 增加 不变 增加 增大 不变 增加 增加 增加 增大 不变 增加 增加 增加 增大 2025/6/17 28 二、过渡态理论(拓展延伸) 1. 飞秒化学 飞秒化学是物理化学的一支，研究在极小的时间内化学反应的过程和机理。这一领域涉及的时间间隔短至约千万亿分之一秒，即1飞秒(fs， 1 fs=10-15 s) 。在这个极小的时间段里，产生的飞秒激光可以用于检测分子、原子、离子的结构、组成、运动等形成飞秒检测范畴。 始态、过渡态、终态 飞秒激光器 冲刺时间分辨技术 2025/6/17 29 二、过渡态理论(拓展延伸) 2. 过渡态 (1) 定义：反应物分子在相互接近的过程中，先被活化形成高能量的活化配合物，即过渡态，过渡态再分解为产物。 2025/6/17 30 二、过渡态理论(拓展延伸) (2) 过渡态特点： ①能量高 ②极不稳定，不能分离得到 ③旧键未完全断开，新键未完全形成 2. 过渡态 2025/6/17 31 二、过渡态理论(拓展延伸) (3) 能量变化图： 2. 过渡态 2025/6/17 32 二、过渡态理论(拓展延伸) (3) 能量变化图： 2. 过渡态 2025/6/17 33 二、过渡态理论(拓展延伸) (3) 能量变化图： 2. 过渡态 2025/6/17 34 二、过渡态理论(拓展延伸) (3) 能量变化图： 2. 过渡态 2025/6/17 35 二、过渡态理论(拓展延伸) (4) 过渡态和中间体的区别： 2. 过渡态 ①过渡态：反应物转变为产物的中间状态势能最高处的原子排列，寿命=0，无法测得。 ②中间体：反应中生成的寿命比较短的离子或自由基，中间体一般和活泼，但可通过试验方法观察到。物质进行多步反应时，介于两个过渡态之间的物质。 决速步反应（慢反应）在多步反应中，决定总反应速率 特征：在多步反应中，决速步反应的活化能最大，反应速率最慢 1. 判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)。 (1)NO和CO都是汽车尾气中的有毒气体,它们之间能缓慢反应生成N2和CO2,增大压强能加快该反应的化学反应速率 (　) (2)化学反应中,催化剂能改变反应的速率且反应前后化学性质、质量不变 (　) (3)向2支盛有5 mL不同浓度NaHSO3溶液的试管中同时加入2 mL 5% H2O2溶液,通过观察实验现象,可以探究浓度对化学反应速率的影响(　) √ 　　 √ × (4)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加 (　) (5)升温或使用催化剂能够提高活化分子的百分数,从而使反应速率增大(　) × 　　 √ 2025/6/17 36 课堂练习 36 2. [2024·福建三明一中月考] 已知反应:2NO(g)+Br2(g) =2NOBr(g)　ΔH=-a kJ·mol-1(a>0),其反应机理如下: 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)的浓度能增大活化分子百分数,加快反应速率 C　　 2025/6/17 37 课堂练习 3. [2024·北京人大附中期中] 丙酮 ( )碘化反应为 +I2 +I-+H+。兴趣小组在20 ℃时研究了该反应的反应速率。他们在反应开始前加入淀粉溶液,通过观察淀粉溶液褪色时间来度量反应速率的大小。实验数据如下表,其中①~③混合液总体积均为100 mL。 序号 n(丙酮)/mol n(I2)/mol 褪色时间/s ① 0.2 2×10-4 40 ② 0.1 2×10-4 80 ③ 0.2 1×10-4 20 2025/6/17 38 课堂练习 下列推理合理的是 (　) A.实验①中,v(I2)=5×10-6 mol·L-1·s-1 B.由实验①②可知,c(丙酮)越小,反应速率越快 C.由实验①③可知,c(I2)越小,反应速率越快 D.该反应可能会出现反应速率随时间先增大后减小的现象 D　　 序号 n(丙酮)/mol n(I2)/mol 褪色时间/s ① 0.2 2×10-4 40 ② 0.1 2×10-4 80 ③ 0.2 1×10-4 20 2025/6/17 39 课堂练习 4.某化学兴趣小组在一次实验探究中发现,向草酸溶液中逐滴加入酸性高锰酸钾溶液时(2KMnO4+5H2C2O4+3H2SO4 =10CO2↑+2MnSO4+K2SO4+8H2O),反应速率变化如图所示: 小组成员探究t1~t2时间内速率变快的主要原因,为此“异常”现象展 开讨论,猜想造成这种现象的最可能原因有两种。 猜想Ⅰ:此反应过程放热,温度升高,反应速率加快; 猜想Ⅱ:…… (1)猜想Ⅱ可能是　 　　　　　　　　　　　。  Mn2+对该反应具有催化作用 [解析]该反应的速率先增大,除了该反应为放热反应外,还有可能是反应新生成的物质对反应具有催化作用,使反应速率加快,则猜想Ⅱ可能是Mn2+对该反应具有催化作用。 2025/6/17 40 课堂练习 加入 试剂 　2 mL 0.1 mol·L-1 H2C2O4溶液、1 mL 0.05 mol·L-1酸性KMnO4溶液 　2 mL 0.1 mol·L-1 H2C2O4溶液、1 mL 0.05 mol·L-1酸性KMnO4溶液,少量 　　　　固体  实验 现象 　褪色时间10 min 　褪色时间　　10 min(填“<”“>”或“=”)  结论 猜想Ⅱ正确 (2)基于猜想Ⅱ成立,设计方案进行实验,请完成以下实验记录表的内容。 MnSO4 [解析]为证明Mn2+对该反应具有催化作用,则在对比实验中应加入少量MnSO4固体,且褪色时间小于10 min,则说明Mn2+对该反应具有催化作用。 < 2025/6/17 41 课堂练习 2025/6/17 42 三、有关反应历程与能量变化的图像分析 1. 反应过程中的能量变化 (1)活化能是从低能态“爬坡”到高能态的能垒,活化能最大的步骤,决定了整个反应过程的反应速率。 (2)反应热与活化能的关系:ΔH=E1(正反应的活化能)-E2(逆反应的活化能)。 (3)分析变化过程中所经由的全部基元反应,包括过渡态的形成、键的断裂和形成等。 2025/6/17 43 三、有关反应历程与能量变化的图像分析 1. 反应过程中的能量变化 [强调] ①能垒越大,反应速率越小,即多步反应中能垒最大的反应为决速反应。 ②用不同催化剂催化化学反应,催化剂使能垒降低幅度越大,说明催化效果越好。 ③相同反应物同时发生多个竞争反应,其中能垒越小的反应,反应速率越大,产物占比越高。 2025/6/17 44 三、有关反应历程与能量变化的图像分析 2. 解题策略 (1)找准一“剂”三“物” 一“剂” 指催化剂 　催化剂在机理图中多数是以完整的循环出现的,以催化剂粒子为主体的多个物种一定在机理图的主线上 三“物” 指反应物、 生成物、 中间产物 (或中间体) 反应物 　通过一个箭头进入整个历程的物质是反应物 生成物 　通过一个箭头最终脱离整个历程的物质一般多是产物 中间体 　反应后生成的,在机理图中通过一个箭头脱离,但又通过一个箭头进入的是中间体,通过两个箭头进入整个历程的中间物质也是中间体,中间体有时在反应历程中用“[　　]”标出 45 三、有关反应历程与能量变化的图像分析 2. 解题策略 2025/6/17 (2)逐项分析得答案 根据题给情境信息,找出催化剂、反应物、生成物、中间体,再结合每一选项设计的问题逐项分析判断,选出正确答案。 2025/6/17 46 三、有关反应历程与能量变化的图像分析 2. 解题策略 例 [2024·河北秦皇岛月考] 环氧环己烷( )作为 一种重要的中间体,在有机合成中具有很高的应用 价值。在过氧铌酸盐离子催化剂作用下,用环己烯 制备环氧环己烷的反应历程及与相对能量的关系 如图所示,下列说法错误的是(　) A.过氧铌酸盐离子、CH3OH在反应中均作催化剂 甲 B.总反应方程式为 +H2O2 +H2O C.步骤Ⅰ是总反应的决速步骤 D.环己烯制备环氧环己烷的反应放出热量 乙 A 2025/6/17 47 课堂练习 1.卤代烃的氢化脱卤反应是一种成为从卤代烃合成相关芳烃的有力工具。一种常见的脱卤机理如图所示。Ar—代表芳基(如苯基、萘基等),下列说法正确的是 (　) A.使用催化剂可使焓变减小 B.—Me的结构简式为—CH3 C.L2Pd为该反应的中间体 D.L2PdArX是该反应的催化剂 【跟踪训练】 B 2025/6/17 48 课堂练习 2. [2024·湖北襄阳宜城一中月考] N2O和CO是环境污染性气体,可在Pt2O+表面转化为无害气体,有关化学反应的物质变化过程及能量变化过程分别如图甲、乙所示。下列说法不正确的是(　) A.CO为还原剂 B.总反应的ΔH=ΔH1+ΔH2=-226 kJ·mol-1 C.Pt2O+作为该反应的催化剂,能显著 改变体系中的活化分子百分数 D.该正反应的活化能大于逆反应的 活化能 D 2025/6/17 49 课堂练习 2025/6/17 50 课堂小结 单位时间内、单位体积内有效碰撞次数增多 单位体积内 活化分子数增大 增大反应物浓度 升高温度 增大化学反应速率 增大气体压强 催化剂 单位体积内活化分子百分数增大 meiyangyang8602 用简单碰撞理论解释影响化学反应速率的因素 大大加快化学反应速率 加快化学反应速率很快 Lavf58.20.100 Codec by Bilibili XCode Worker v4.8.25(fixed_gap:False) $$