2.1.3 活化能 课件-2025-2026学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第一节 化学反应速率 　第三课时 活化能 第二章 化学反应速率与化学平衡 人 教 版 选 择 性 必 修 1 1 2 学习 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； 2.知道催化剂可以改变反应历程，能从调控化学反应速率的角度分析和选择反应条件。 3 3.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，强化模型认知意识。 我们知道，浓度、温度、压强及催化剂会影响化学反应速率,这些从宏观上都已得到证实，如何从微观角度解释外界条件对化学反应速率的影响？ 情境引入 简单碰撞理论 1918年，路易斯提出了化学反应速率的简单碰撞理论。 该理论认为，反应物分子间的碰撞是化学反应的先决条件。 基元反应与反应历程 JI YUAN FAN YING YU FAN YING LI CHENG 01 基元反应 1.1 【回归教材】请同学阅读教材P27，讨论交流什么是基元反应？ 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。其中每一步反应都称为基元反应。 第一步：2HI → H2＋2I· 第二步：2I· → I2 2HI===H2＋I2 自由基 带有单电子的原子或原子团, 反应活性很强，寿命极短 自由基：带有单电子的原子或原子团； 自由基特点：反应活性很强，寿命极短。 反应历程/机理 1.2 一个化学反应的速率取决于速率最快还是最慢的基元反应？ 这两个先后进行的基元反应反映了化学反应(2HI===H2＋I2)的反应历程， 反应历程又称反应机理。 什么是反应历程？ 一个化学反应的速率就取决于速率最慢的基元反应 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 注意事项 1.3 1.每一步反应称为基元反应，多步基元反应反映了反应历程 2.基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生碰撞 3.微粒H·、O·、I·和·OH 等存在未成对电子，它们称为自由基 (H·和O·、I·也称为自由原子)。 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-以甲烷气相热分解为例 1.4 甲烷气相热分解反应的化学方程式为2CH4―→CH3—CH3＋H2， 该反应的机理如下： ①CH4→·CH3＋H· ②___________________________ ③CH4＋H·→·CH3＋H2 ④·CH3＋H·→CH4 补充反应②的方程式。 ·CH3＋CH4→CH3—CH3＋H· 自由基反应过程：链引发、链传递、链终止 链传递：有自由基和乙烷生成 反应历程-以甲烷和氯气反应为例 1.4 自由基反应过程： 链引发、 链传递、 链终止。 反应机理—中间体，催化剂的判断 1.5 在催化循环反应体系中： 催化剂 直接和原料反应 反应前后存在，反应过程中不存在 中间体 可循环再生 只在反应过程中出现 “入环”为反应物 “出环”为生成物 跟踪强化 1.利用某分子筛作催化剂，NH3可脱除废气中的NO和NO2，生成两种无毒物质，其反应历程如图所示： (1)X是__________。 N2、H2O (2)题述历程的总反应为___________________________________。 2NH3＋NO＋NO2 === 2N2＋3H2O 催化剂 (3)由反应历程可知，[(NH4)(HNO2)]＋是该反应的___________。 中间产物 碰撞理论与活化能 PENG ZHUANG LI LUN YU HUO HUA NENG 02 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。 基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生碰撞，而并不是反应物分子的每一次碰撞都能发生反应。 任何一个基元反应都能发生吗？ 有效碰撞理论 2.1 2 mol H2和1 mol O2混合于一个洁净的容器内，已知常温常压下，每个氢分子和氧分子自身或它们之间每秒钟平均碰撞2.355×1010次，如果每一次碰撞都能够引发反应，试想会有什么样的现象？如果每一次碰撞都能引发反应，整个容器中的氢气和氧气将在极短的时间内全部变成水。 碰撞理论： 反应物分子间的相互碰撞是反应进行的必要条件，但并不是每次碰撞都能引起反应，只有少数分子碰撞才能发生化学反应。能引发化学反应的碰撞称之为有效碰撞，反应物分子间有效碰撞的频率越高，化学反应速率越大。 吉尔伯特·牛顿·路易斯 有效碰撞理论 2.1 有效碰撞理论 2.1 有效碰撞 并不是反应物分子的每一次碰撞都能发生反应，能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞。 发生的条件 反应物分子必须具有一定的能量 合适的取向 气体分子无规则高速运动 彼此碰撞（每秒约1028次） 有效碰撞 无效碰撞 力道不足 取向不对 力道、取向恰好 有效碰撞理论 2.1 课本P28 图:HI的分解 HI HI HI HI 取向不对 碰撞无法发生反应 HI HI HI HI H2 I2 HI HI 有效碰撞 发生反应 能量不足 碰撞无法发生反应 有效碰撞条件：足够的能量；合适的取向；与反应速率的关系：碰撞频率高，速率快 活化分子和活化能 2.2 【图像表征】请阅读教材P28，讨论交流什么是活化分子，什么是活化能？ 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。 具有足够的能量，能发生有效碰撞的分子 活化分子 E1-E2 反应热 活化分子百分数=活化分子数/分子总数*100% 解释：活化分子之所以能够发生有效碰撞，是由于他们的能量高，发生碰撞时能够克服相撞分子间的排斥力，并且破坏分子内部“化学键”，从而导致反应物旧键断裂，重新组合成新的化学键，形成生成物分子，发生化学反应。 活化分子和活化能 2.2 活化能的大小决定了化学反应的难易！活化能越小，一般分子成为活化分子越容易， 则活化分子越多，则单位时间内的有效碰撞越多，则反应速率越快。 能量 反应物 生成物 反应过程 正反应的活化能 E1 E1-E2 反应热 思考，对于可逆反应而言，E1和E2还有什么其他含义？ 逆反应的活化能 E2 活化能与反应热有关吗?无关 化学反应模型构建 2.3 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； 在其他条件不变时，同一反应的活化分子百分数是一定的。 ④活化分子百分数=活化分子数/分子总数*100% 思考，一个反应要发生一般要经历哪些过程？ 【注意】 【模型构建】 普通分子 吸收 活化能 活化分子 有效碰撞概率越大 反应速率越快 取向合理的 碰撞 有效碰撞 能量 新物质 理论解释外因对反应速率的影响 LI LUN JIE SHI WAI YIN DUI FAN YING SU LV DE YING XIANG 03 浓度、 压强、 温度 和催化剂 单位体积内活化分子的多少 单位时间内有效碰撞次数的多少 化学 反应速率 的快慢 决定 决定 决定 合适的取向 影响 结合上述所学，尝试思考有效碰撞与反应速率的关系？ 有效碰撞与反应速率的关系 3.1 改变条件→单位时间内、单位体积内有效碰撞次数增多→化学反应速率增大，反之化学反应速率减小 解释浓度对化学反应速率的影响 3.2 活化分子 其他条件不变时 浓度增大 单位体积内 分子总数增多 单位体积内 活化分子数增多 单位时间内 有效碰撞次数变多 反应速率加快 分子总数:20 活化分子数:6 活化分子百分数:30% 分子总数:10 活化分子数:3 活化分子百分数:30% 增大反应物浓度 增大浓度，活化分子百分数如何变？ 解释温度对化学反应速率的影响 3.3 升高温度 更多的分子吸收能量 变为活化分子 温度升高 活化分子百分数增大 单位体积分子总数不变， 而单位体积活化分子数增多 单位时间内 有效碰撞次数变多 反应速率加快 升高温度 活化分子 其他条件不变时 科学研究表明，对于许多反应而言，一般温度每升高10 K，其反应速率可增加2~4倍。在实验室或工业生产中，常采用加热的方法使化学反应在较高的温度下进行，以提高反应速率。 对吸热反应、放热反应都适用，且不受反应物状态的限制。 解释压强对化学反应速率的影响-恒温加压 3.4 其它条件不变时 增大压强 活化分子 增大压强(压缩体积) 活化分子百分数不变 单位体积分子总数增加， 单位体积活化分子数增加， 单位时间内 有效碰撞次数变多 反应速率加快 解释压强对化学反应速率的影响-恒温恒容 3.4 充入惰性气体/非反应气体 活化分子百分数不变 单位体积分子总数虽增加，但反应物的分子总数不变，反应物浓度不变，单位体积活化分子数不变。 单位时间内 有效碰撞次数不变 反应速率不变 活化分子 容器的容积不变 充入非反应气体 非反应气体 /惰性气体 思考若是充入反应物气体？ 解释压强对化学反应速率的影响-恒温恒压 3.4 充入惰性气体/非反应气体 活化分子百分数不变 容器体积增加，反应物的分子总数不变，反应物浓度减小，单位体积活化分子数减小。 单位时间内 有效碰撞次数减小 反应速率减小 活化分子 容器内压强不变 充入非反应气体 非反应气体 /惰性气体 思考若是充入反应物气体？ 解释催化剂对化学反应速率的影响-过渡态理论 3.5 过渡态理论： 反应物分子并不只是通过简单的碰撞直接形成产物，而是必须经过一个形成活化络合物的过渡状态，并且达到这个过渡状态需要一定的活化能。 这与爬山类似，山的最高点便是过渡态。 过渡态 终态 始态 A···B 更多的化学反应过程分为多步进行 例如：2HI == H2 + I2 第一步： 2HI → 2I• + H2 第二步： 2I• → I2 基元反应的活化能越大，反应物到达过渡态就越不容易，该基元反应速率就越慢。因此第一步是慢反应，第二步是快反应；整个反应的速率由慢反应决定的，也叫“决速步骤”。 一个化学反应的速率就取决于速率最慢(活化能最大)的基元反应 解释催化剂对化学反应速率的影响-过渡态理论 3.5 解释催化剂对化学反应速率的影响 3.5 当其他条件相同时 使用催化剂，降低反应的活化能 →单位体积内分子总数目不变，但是 活化分子数增多(活化分子百分数增多) →单位时间内有效碰撞次数增多 →化学反应速率增大 研究表明，催化剂可以改变反应历程，改变反应的活化能。 用催化剂后，反应分两步，经历2个基元反应后完成（历程改变） Ea1 Ea2 用催化剂后，活化能由Ea2变为Ea1，活化能减小 催化剂对可逆反应的正、逆反应的速率影响相同！ 拓展-催化原理 3.6 扩散 反应物扩散到催化剂表面 反应物被吸附在催化剂表面 被吸附的反应物发生 化学反应生成产物 产物的解吸 吸附 断键 成键 脱附/解吸附 小结 影响 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 增大压强 （压缩体积） 升高温度 使用催化剂 增加 增加 不变 不变 增加 增加 增加 增加 不变 不变 增加 增加 增加 增加 增加 增加 加快 加快 加快 加快 浓度：固体或纯液体的浓度为常数 温度：每升高10度，化学反应速率通常增大原来的2～4倍。注意：温度对反应速率的影响不受反应物状态的限制。 压强：只对气体有效；分为四种情况。 有的催化剂能加快化学反应的速率，叫正催化剂；有的催化剂能减慢化学反应速率，叫负催化剂。在实践中，如 没有特殊说明，凡说催化剂都是指正催化剂。 -表面积越大，反应速率越快（对有固体参与的反应有效） 小结 增大反应物浓度 单位体积内 活化分子数增大 (活化分子百分数不变) 增大气体压强 单位时间内、单位体积内有效碰撞次数增多 增大化学反应速率 单位体积内 活化分子百分数增大 升高温度 (体系能量升高) 催化剂 (活化能降低) 【注意】还有许多改变化学反应速率的方法：如光辐照、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。 相关链接 1.原理：跟踪和检测化学反应中某些寿命极短的过渡态，必须采用10－15～10－12 s的时间分辨技术，可以分辨分子、原子飞秒级变动图像的激光脉冲技术，可以跟踪、观察基元反应的整个过程。 2.定义：对超快速化学反应的研究称为飞秒(fs，1fs＝10﹣15 s)化学。 3.意义：飞秒化学对了解化学反应机理、控制反应进程、充分利用物质和能源等非常重要。飞秒化学开创了化学反应的新世纪。我国在飞秒激光器的研究方面已达到国际水平。 飞秒化学[课本P30] 飞秒激光 冲刺时间分辨技术 第二张图：飞秒激光示意图 跟踪强化 1、下列说法错误的是（ ） ①碰撞理论认为，反应物分子间进行碰撞才可能发生化学反应 ②活化分子间的碰撞一定是有效碰撞 ③催化剂加快反应速率的本质是降低了反应的活化能 ④只有增加活化分子的百分含量才能加快反应速率 ⑤对于基元反应而言，温度升高，反应速率一定增加 A．①④ B．②④ C．③⑤ D．②⑤ B 跟踪强化 2.在体积可变的容器中发生反应：2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)，当缩小容器体积使压强增大时，化学反应速率加快，其根本原因是(　　) 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.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 D.活化分子百分数不变，但单位体积内活化分子数增加，有效碰撞次数增多 D 跟踪强化 3.有关碰撞理论，下列说法不正确的是 (　　) A、具有足够能量的分子(活化分子)相互碰撞就一定能发生化学反应 A B、增大反应物的浓度，单位体积内活化分子数增多，有效碰撞的几率增大，反应速率增大 C、升高温度，活化分子百分数增大，有效碰撞的几率增大，反应速率增大 D、催化剂能降低反应的活化能，提高活化分子百分数，有效碰撞的几率增大，反应速率增大 跟踪强化 4.活泼自由基与氧气的反应一直是关注的热点。HNO自由基与O2反应过程的能量变化如图所示。下列说法正确的是(　　)  A．该反应为吸热反应 B．产物的稳定性：P1>P2 C．该历程中最大正反应的活化能 E正＝186.19 kJ·mol－1 D．相同条件下，由中间产物Z转化为 产物的速率：v(P1)<v(P2) C 跟踪强化 5.(2023·湖北卷,19节选)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) C40H18(g)+H2(g)的反应机理和能量变化如下: 跟踪强化 (1)已知C40Hx中的碳氢键和碳碳键的键能分别为431.0 kJ·mol-1和298.0 kJ·mol-1, H—H键能为436.0 kJ·mol-1。估算C40H20(g) C40H18(g)+H2(g)的ΔH=________ kJ·mol-1。  (2)图示历程包含________个基元反应,其中速率最慢的是第_______个。 +128.0 3 3 从结构分析,反应中断裂两条碳氢键,形成一条碳碳键和H—H。 ΔH=431.0 kJ·mol-1×2-298.0 kJ·mol-1-436.0 kJ·mol-1=+128.0 kJ·mol-1。 人 教 版 选 择 性 必 修 1 本课结束，谢谢！ $$