2026届高三化学二轮复习  化学反应原理专题 之化学反应历程、活化能、催化剂 课件

《化学反应原理专题》之 ——化学反应历程、活化能、催化剂 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 1 【问题的提出】 ①浓度与速率到底存在何种联系 ？ ②为何升高温度对不同反应影响程度不同 ？ 升高温度为何又会向吸热反应方向移动 ？ ③催化剂是如何影响反应速率的 ？ 化学反应历程 活化能 催化剂 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 一、化学反应历程 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。 大约要经历 12 步反应 主要的四步反应 700 ℃、l04Pa 时，H2 在催化下 0.3 s 内就可以产生 1015 个 H·；H·的产生又可以引发其他反应，整个过程进行得非常快，瞬间达到化学平衡。但是在常温、常压下无催化下，无法产生H·，该反应则慢得测不出其速率。 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 一、化学反应历程 1、基元反应：反应物一步直接转化为产物，又称简单反应。 四步基元反应 基元反应构成的反应序列称为反应历程（又称反应机理），基元反应的总和称为总反应。 大部分化学反应都是分多成多个基元反应进行，称为复杂反应。 复杂反应的速率取决于慢反应速率 例：2HI(g)⇌I2(g)+H2(g) 第一步：2HI→2I. + H2 第二步：2I. →I2 慢反应 快反应 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 一、化学反应历程 2、速率方程： 浓度和温度是如何影响化学反应速率的？为何温度对不同反应的速率影响的程度不同？ 反应 H2O2 + 2HI = 2H2O + I2 在不同反应物浓度时的反应速率 1 2 3 4 5 c(HI) /(mol/L) 0.100 0.200 0.300 0.100 0.100 c(H2O2) /(mol/L) 0.100 0.100 0.100 0.200 0.300 V/ [mol/(L. s)] 0.0076 0.0153 0.0227 0.0151 0.0228 V＝k c (H2O2)·c(HI) 式中：k 为速率常数 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 2、速率方程 对于反应：aA(g)＋bB(g)⇌ gG(g)＋hH(g) 一定温度下，反应速率与反应物浓度具有如下关系： V＝k cm(A)·cn(B) k 为速率常数，受温度、催化剂、固体表面性质等因素影响， m、n为反应物 A、B浓 度的幂指数，k、m、n均可由实验测得。 一、化学反应历程 特别提醒 m、n是实验测定，不一定与方程式系数相等 但通过大量的实验证实： 若 aA(g)＋bB(g)⇌ gG(g)＋hH(g) 是基元反应，则速率方程为： V＝k ca(A)·cb(B) 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 2、速率方程 例如基元反应 2NO2(g) ⇌ 2NO(g)＋O2(g)，则其速率方程可以表示为： V正＝k正·c2(NO2) V逆＝k逆·c2(NO)·c(O2) k正 : 正反应速率常数 k逆：逆反应速率常数 基元反应的速率常数和平衡常数有啥联系呢？ 我们知道，达到平衡时： V正 ＝ V逆 即： k正·c2(NO2) ＝ k逆·c2(NO)·c(O2) k正 k逆 = c2(NO)·c(O2) c2(NO2) K = 一、化学反应历程 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 【探索新知】 基元反应 2NO2(g) ⇌ 2NO(g)＋O2(g) △H>0 V正＝k正·c2(NO2) V逆＝k逆·c2(NO)·c(O2) k正 k逆 = K 根据“勒夏特列原理”知道：若△H>0，升温，平衡正向移动， K ， V正 ， V逆 ， V正 V逆 。 增大 增大 增大 > 即： △H>0，升温， k正 k逆 均增大， k正 增大程度大于 k逆 速率常数 k 与温度到底有何关系？ 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 一、化学反应历程 3、阿伦尼乌斯公式： 阿伦尼乌斯·斯万特·奥古斯特（1859年2月19日~1927年10月2日）瑞典物理化学家，他奠定了物理化学的基础，主要贡献为：提出电离理论学说和阿伦尼乌斯方程，1903年获得诺贝化学奖。 1889年，在大量实验结果的基础上，阿伦尼乌斯提出了一个描述温度对化学反应速度的影响的经验公式： 阿伦尼乌斯公式：k = Ae-Ea / RT  厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 一、化学反应历程 3、阿伦尼乌斯公式： k = Ae-Ea / RT  式中： k 为速率常数；e 为自然对数的底； Ea为活化能(一般可视为与温度无关的常数)；A 为指前因子(由反应本性决定的常数)；R 为摩尔气体常数。 Ea 一般 > 0，升高温度，正、逆速率常数均增大， 正、逆反应速率随之提高。 Ea 值越大，增大程度越大。 即：Ea 值越大， k 对温度越敏感。 反应历程 能 量 这就是△H > 0，升温，K增大，反应向吸热反应方向移动的理论解释。 k正 = Ae-Ea正 / RT  k逆 = Ae-Ea逆 / RT  厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 一、化学反应历程 3、阿伦尼乌斯公式： k = Ae-Ea / RT  ln k = + ln A -Ea RT 由于Ea受温度影响不大，所以 lnk 对 1/T 作图是一条直线。 1/T lnk Ea(3)>Ea(2) >Ea(1) ① ② ③ 不同反应①②③ lnk 与 1/T关系 1/T lnk 同一反应 lnk正 lnk逆与 1/T关系 2A(g) ⇌ 2B(g)＋C(g) △H 0 k正 k逆 > 对比 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 二、活化能 100 多年来，为了正确认识活化能并从理论上进行计算，科学家一直在进行探讨，提出了若干个化学反应速率理论。其中，最著名的是基元反应碰撞理论和基元反应过渡态理论。 1、碰撞理论 化学反应是通过分子之间碰撞来完成的，把引发化学反应的碰撞称为有效碰撞。 具有足够的能量 合适的碰撞取向 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 二、活化能 1、碰撞理论 化学反应是通过分子之间碰撞来完成的，把引发化学反应的碰撞称为有效碰撞。 具有较高能量，有可能发生有效碰撞的分子 活化分子百分数：(活化分子数/反应物分子数）×100% 反应过程 E1 E2 反应物 生成物 活化分子 活化能 E 活化分子高出普通分子的那部分能量E1 能量 活化分子 活化能 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 二、活化能 2、过渡态理论 反应物到产物的变化过程需要经历一个高能量的中间状态，这个状态称为过渡态。此时旧键没有完全断裂，新键没有完全形成。 A+BC → [A···B ···C ] →AB+C 反应物 过渡态 生成物 活化能 过渡态能量与反应物的平均能量的差值。 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 二、活化能 催化剂又是如何影响化学反应速率的呢 ？ 臭氧分解反应以及氯自由基催化臭氧分解反应过程中的能量变化示意图 合成氨反应的催化历程图 催化剂通过参与反应改变反应历程、改变反应的活化能来改变化学反应速率。 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 : 催化剂跟反应物分子或离子通常结合形成不稳定的中间物即活化络合物。 1、均相催化 催化剂：参与化学反应，改变反应途径，降低反应活化能。但反应前后的质量和化学性质不变。 三、催化剂 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 练习: 已知H2O2分解反应为：2H2O2=2H2O+O2 ΔH < 0，Fe3+ 催化H2O2 的分解机理为： ① H2O2 + 2Fe3+ = O2↑ + 2Fe2+ + 2H+ ΔH > 0 慢 ② H2O2 + 2Fe2+ + 2H+ = 2Fe3+ + 2H2O ΔH < 0 快 （1）此过程机理中催化剂 ，中间产物 。 （2） Fe3+的浓度能否影响反应速率 ？ Fe3+ 能 三、催化剂 Fe2+ 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 催化剂是固体物质，固体催化剂的表面存在一些能吸附反应物分子的特别活跃中心，称为活化中心（或活性中心或活性位点）。反应物在催化剂表面的活性中心形成不稳定的中间化合物，从而降低了原反应的活化能，使反应能迅速进行。催化剂表面积越大，其催化活性越高。因此催化剂通常被做成细颗粒状或将其附载在多孔载体上。 2、非均相催化 三、催化剂 吸附过程容易吸附某些杂质造成催化剂“中毒”，在反应过程中也可能会造成表面堆积，降低催化活性。 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 2、非均相催化 三、催化剂 工业上，N2+3H2⇌2NH3是在催化剂表面上进行的。这是一个复杂的过程，一般要经历扩散⇰吸附⇰表面反应⇰脱附⇰扩散等五步。 其中：N2在催化剂表面分解生成N原子的活化能最高 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 2、非均相催化 三、催化剂 【思考与交流】 ①工业生产投料比 n(N2): n(H2) = 1: 2.8，而不是1:3 ? ②为什么在反应过程中要及时分离出NH3 ? N2+3H2⇌2NH3 解①: 第一步（氮的吸附分解）所需活化能最高，是控制总反应速率的关键步骤。为保证氮气占有一定份额的催化剂活性中心并提高吸附速率，应适当提高氮气的比例，即不是达到最大平衡转化率要求的 n(N2)∶n(H2) = 1∶3，而是 n(N2)∶n(H2) = 1∶2.8。 解②:为了提高氨的脱附速率，以空出活性中心供继续合成氨使用，必须降低反应后混合气体中氨的比例，适时地将氨从反应后的混合气体中分离出来。 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 催化剂: 不改变焓变，不影响平衡转化率 均相催化 非均相催化 催化剂参与化学反应，降低反应活化能，使反应速率加快 催化剂浓度越大，速率越快 扩散、吸附、表面反应、脱附、产物离开反应区 表面吸附过程能量降低 吸附催化过程的难易取决于该反应中的最大能垒。 总结 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 即：催化剂只能通过增大其选择性催化的反应的速率，提高单位时间内的转化率，但不会改变平衡转化率。 催化剂的选择性：简单的说就是对目标反应有更好的催化效率，让其跑得更快，“嗖”的一声就反应完了，副反应还来不起跑呢。所以选择性是单位时间内的变化问题，并不代表平衡时。 催化剂四不能：①不改变焓变； ②不改变平衡转化率； ③不改变平衡常数；④不改变平衡移动。 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 四、反应历程图 吸附过程: 一般是放热。 能 垒 E(能垒)=E正 = a+b (ev) ΔH = -d (ev) 反应机理---能垒图 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 2019年全国1卷 四、反应历程图 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 可知水煤气变换[CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)]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_______________________。 小于 2.02 COOH.＋H.＋H2O. = COOH.＋2H.＋OH. ( 或 H2O.=H.＋OH.) 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 例：结合实验与计算机模拟结果，研究单一DMF分子在铜催化剂表面的反应历程，如下图 （1）该历程中最大能垒（活化能）=_________eV。 （2）该步骤的化学方程式为__________________________________。 （3）该反应变化的ΔH______0（填“<”、“>”或“=”），制备三甲胺的热化学方程________________________________________________。 1.19 < 厚德求真 励学笃行 　　　　　　　 西安电子科技大学 $