2.1.3 活化能 导学案 -2026-2027学年高二上学期化学人教版选择性必修1

第二章　化学反应速率与化学平衡 第一节　化学反应速率　第3课时　活化能 教师版（含答案与解析） 一、三维目标 1．知识与技能 ● 知道化学反应是有历程的，了解基元反应、自由基、反应机理等概念，认识总反应的速率由最慢的基元反应（决速步）决定； ● 理解有效碰撞、活化分子、活化能的含义，能借助能量关系图说明正、逆反应活化能与反应热的关系； ● 能用有效碰撞理论解释浓度、压强、温度、催化剂对化学反应速率的影响，初步了解速率方程与速率常数。 2．过程与方法 ● 经历有效碰撞理论模型的建构与应用，体会“理论模型—微观解释—宏观现象”的化学思维，发展模型认知与证据推理能力； ● 通过对反应历程图、能量变化图的分析，提高读图、析图以及从微观本质解释宏观规律的能力。 3．情感态度与价值观 ● 通过活化能、催化剂知识在合成氨、汽车尾气治理等领域的应用，体会化学理论对生产实践与环境保护的指导价值； ● 在理论探究中养成严谨求实、勇于探索的科学态度，感受微观化学世界的有序与奇妙。 二、教学重点与难点 项目 具体内容 教学重点 有效碰撞、活化分子、活化能的概念；用有效碰撞理论解释浓度、压强、温度、催化剂对速率的影响；决速步的判断。 教学难点 活化能与反应热（正、逆反应活化能）关系的理解；反应历程与能量变化图的综合分析；活化分子总数与活化分子百分数变化的辨析。 三、教学过程　知识梳理与典例探究 知识点一　基元反应与反应历程 1．基元反应 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。基元反应发生的先决条件，是反应物的分子（或微粒）必须发生碰撞。 2．自由基 带有单电子的原子或原子团叫自由基，如 I·、Cl·、O· 等。自由基反应活性很强、寿命极短。例如碘化氢的分解，总反应为 2HI=H₂＋I₂，实际上是经过两步基元反应完成的：2HI→H₂＋2I·；2I·→I₂。 3．反应历程（反应机理） 与某化学反应有关的一组基元反应，反映了该反应的反应历程，反应历程又称反应机理。 ● 反应不同，反应历程一般不相同；同一反应在不同条件下，反应历程也可能不同； ● 反应历程的差别造成了化学反应速率的不同； ● 对于由多个基元反应组成的化学反应，其反应的快慢由最慢的一步基元反应决定，该步称为决速步（速率控制步骤）。 【例题 1】对于反应 2NO(g)＋2H₂(g)→N₂(g)＋2H₂O(g)，科学家根据光谱研究提出如下反应历程：第一步 2NO⇌N₂O₂（快反应）；第二步 N₂O₂＋H₂→N₂O＋H₂O（慢反应）；第三步 N₂O＋H₂→N₂＋H₂O（快反应）。可近似认为第二步反应不影响第一步反应的平衡，下列叙述正确的是（　　） A．该反应的速率由第二步反应决定 B．反应的中间产物有 N₂O₂、N₂O 和 H₂ C．第三步反应中 N₂O 与 H₂ 的每一次碰撞都是有效碰撞 D．若第一步反应 ΔH＜0，则升高温度，正反应速率减小、逆反应速率增大 【答案】A 【解析】总反应速率由最慢的基元反应决定，第二步为慢反应，故总速率由第二步决定，A 正确；NO、H₂ 是反应物，中间产物只有 N₂O₂、N₂O，B 错误；只有能量足够、取向合适的碰撞才是有效碰撞，并非每一次碰撞都有效，C 错误；升高温度时，正、逆反应速率均增大，D 错误。 【变式 1-1】甲烷与氯气在光照条件下存在如下反应历程（“·”表示单电子）：① Cl₂→2Cl·（慢反应）；② CH₄＋Cl·→·CH₃＋HCl（快反应）；③ ·CH₃＋Cl₂→CH₃Cl＋Cl·（快反应）；④ ·CH₃＋Cl·→CH₃Cl（快反应）。已知较慢的一步控制总反应的速率，下列说法不正确的是（　　） A．上述过程的总反应方程式为 CH₄＋Cl₂→CH₃Cl＋HCl B．光照的主要作用是促进反应①的进行，从而使总反应速率加快 C．反应②～④都是由微粒通过碰撞而发生的反应 D．反应①是释放能量的反应 【答案】D 【解析】将各步基元反应叠加可得总反应 CH₄＋Cl₂→CH₃Cl＋HCl，A 正确；光照使 Cl₂ 解离为 Cl·，促进慢反应①从而加快总反应，B 正确；反应②～④都是微粒通过有效碰撞发生的，C 正确；反应①是破坏 Cl—Cl 共价键、形成氯原子的过程，需要吸收能量，D 错误。 【变式 1-2】科学家利用过渡金属氮化物（TMNS）在常温下催化实现氨的合成，其反应机理如图所示。下列有关说法错误的是（　　） A．TMNS 大大降低了合成氨反应的焓变 B．TMNS 表面上的 N 原子最终被还原为氨 C．TMNS 表面上氨脱附产生的空位有利于吸附 N₂ D．用同位素标记后的 ¹⁵N₂ 进行该合成反应，产物中不只有 ¹⁵NH₃ 图1　过渡金属氮化物（TMNS）常温催化合成氨的机理 【答案】A 【解析】催化剂 TMNS 只能大大降低反应所需的活化能，不能改变合成氨反应的焓变，A 错误；N₂ 在催化剂表面先解离为 N 原子，再逐步加氢，最终被还原为氨，B 正确；氨脱附后留下的空位便于再次吸附 N₂，C 正确；合成氨是可逆反应，故产物中除 ¹⁵NH₃ 外还有未反应的 ¹⁵N₂，D 正确。 知识点二　有效碰撞理论 1．有效碰撞的概念 能发生化学反应的碰撞称为有效碰撞。反应物分子之间发生碰撞，只是化学反应发生的前提，并不是每一次碰撞都能引发反应。 2．有效碰撞必须满足的两个条件 ● 分子具有足够的能量（即为活化分子）； ● 分子在碰撞时具有合适的取向。 3．有效碰撞与反应速率的关系 单位时间内有效碰撞的次数（有效碰撞频率）越高，化学反应速率越快。碰撞类型可归纳如下： 碰撞类型 碰撞的特点 结果 无效碰撞 反应物分子能量不足，或碰撞取向不当 不发生化学反应 有效碰撞 分子能量足够（为活化分子），且碰撞取向合适 发生化学反应 【例题 2】下列说法正确的是（　　） A．活化分子的每一次碰撞都能够发生化学反应 B．能够发生有效碰撞的分子叫做活化分子 C．反应物用量增加后，有效碰撞次数增多，反应速率增大 D．催化剂能提高活化分子的活化能，从而加快反应速率 【答案】B 【解析】活化分子的碰撞还需取向合适才是有效碰撞，并非每一次碰撞都能反应，A 错误；能够发生有效碰撞的分子即为活化分子，B 正确；反应物若为纯固体或纯液体，用量增加时浓度不变、速率不变，C 错误；催化剂降低活化能、提高活化分子百分数，D 错误。 【变式 2-1】下列有关有效碰撞理论的说法不正确的是（　　） A．能发生有效碰撞的分子一定是活化分子 B．有效碰撞是发生化学反应的充要条件 C．改变温度可以改变反应的活化能 D．活化分子间的碰撞不一定是有效碰撞 【答案】C 【解析】能发生有效碰撞的分子必然具有足够能量，一定是活化分子，A 正确；化学反应正是通过有效碰撞实现的，B 正确；活化能由反应本身和催化剂决定，改变温度不能改变活化能，只能改变活化分子百分数，C 错误；活化分子间的碰撞还需取向合适，故不一定是有效碰撞，D 正确。 【变式 2-2】下列说法中错误的是（　　） A．对有气体参加的反应，减小容器体积、体系压强增大，可使单位体积内活化分子数增加，因而反应速率增大 B．活化分子之间发生的碰撞一定为有效碰撞 C．升高温度，一般可使活化分子的百分数增大，因而反应速率增大 D．加入适宜的催化剂，可使活化分子的百分数大大增加，从而增大反应速率 【答案】B 【解析】减小容器体积，单位体积内活化分子数增多、碰撞次数增加，速率增大，A 正确；活化分子发生碰撞时，只有取向合适的那部分碰撞才是有效碰撞，B 错误；升温使部分普通分子变为活化分子，百分数增大，C 正确；催化剂降低活化能，使活化分子百分数大大增加，D 正确。 知识点三　活化分子与活化能 1．活化分子 具有足够能量、能够发生有效碰撞的分子称为活化分子。对于某一化学反应，在一定条件下，反应物分子中活化分子的百分数是一定的。 2．活化能 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，叫做反应的活化能。反应物、生成物的能量与活化能的关系如图所示： 图2　反应物、生成物的能量与活化能的关系 ● E₁：正反应的活化能；E₂：活化分子变成生成物分子所放出的能量，也可看作逆反应的活化能； ● E₁−E₂：反应热，即 ΔH＝E₁−E₂； ● 催化剂的作用是降低反应的活化能，使活化分子百分数增大，从而显著加快反应速率，但不改变反应热。 【例题 3】在化学反应中，把能够发生有效碰撞的分子叫做活化分子，把活化分子比普通分子多出的那部分能量称作活化能（单位 kJ·mol⁻¹）。图中实线（Ⅰ）、虚线（Ⅱ）表示同一反应的两种途径，回答下列问题： (1) 图中所示反应是________（填“吸热”或“放热”）反应，该反应的 ΔH＝________ kJ·mol⁻¹（用含 E₁、E₂ 的代数式表示）； (2) 虚线（Ⅱ）与实线（Ⅰ）相比，活化分子的最低能量明显降低、反应速率加快，最可能的原因是________； (3) 下列反应中符合示意图所描述（生成物能量高于反应物、需提供能量）的是________：A．氧化钙与水反应　B．A(g)＋2B(g)→C(g)，其中 C 的能量高于 A 的能量　C．铝粉与铁红的铝热反应　D．灼热的碳与 CO₂ 反应； (4) 已知热化学方程式 A(g)＋2B(g)=C(g)　ΔH＝＋a kJ·mol⁻¹，该反应的活化能为 b kJ·mol⁻¹，则其逆反应的活化能为________ kJ·mol⁻¹。 图3　吸热反应的活化能与催化途径 【答案】(1) 吸热　＋(E₂−E₁) (2) 使用了催化剂 (3) D (4) b−a 【解析】(1) 生成物总能量 E₂ 高于反应物总能量 E₁，为吸热反应，ΔH＝生成物总能量−反应物总能量＝＋(E₂−E₁)；(2) 催化剂能降低活化能、加快反应，虚线活化能降低，应为使用了催化剂；(3) 图示为吸热反应，A、C 为放热反应，B 中 B 的能量不确定、无法判断整体吸放热，D 灼热的碳与 CO₂ 反应为吸热反应，选 D；(4) 由 ΔH＝正反应活化能−逆反应活化能，得逆反应活化能＝b−a。 【变式 3-1】在化学反应中，只有极少数能量比平均能量高得多的反应物分子发生碰撞时才可能发生化学反应，这些分子称为活化分子；使普通分子变成活化分子所需提供的最低限度的能量叫活化能。请认真观察下图（E₁、E₂ 分别表示反应物、生成物的总能量），回答问题： (1) 图中所示反应是________（填“吸热”或“放热”）反应，该反应的 ΔH＝________（用含 E₁、E₂ 的代数式表示）； (2) 下列反应中符合示意图描述的是________：A．盐酸与 NaOH 反应　B．Na 与 H₂O 反应生成 H₂　C．铝热反应　D．灼热的炭与水蒸气反应生成 CO 和 H₂； (3) 已知热化学方程式 H₂(g)＋½O₂(g)=H₂O(g)　ΔH＝−241.8 kJ·mol⁻¹，该反应的活化能为 167.2 kJ·mol⁻¹，则其逆反应的活化能为________。 图4　放热反应的活化能与催化途径 【答案】(1) 放热　−(E₁−E₂) kJ·mol⁻¹ (2) C (3) 409 kJ·mol⁻¹ 【解析】(1) 反应物总能量 E₁ 高于生成物总能量 E₂，为放热反应，ΔH＝E₂−E₁＝−(E₁−E₂)；(2) 图示反应放热，且反应物需达到较高能量（常需加热引发），铝热反应符合；A、B 不需高能量引发，D 为吸热反应，选 C；(3) 由 ΔH＝正反应活化能−逆反应活化能，−241.8＝167.2−逆反应活化能，逆反应活化能＝241.8＋167.2＝409 kJ·mol⁻¹。 【变式 3-2】在有气体参加的反应中，能使反应物中活化分子总数和活化分子百分数都增大的措施有（　　）①增大反应物浓度　②增大压强　③升高温度　④加入催化剂 A．①② B．②④ C．①③ D．③④ 【答案】D 【解析】①增大浓度、②增大压强，均只增大单位体积内活化分子总数，活化分子百分数不变；③升高温度，部分普通分子获得能量变为活化分子，活化分子总数和百分数都增大；④加入催化剂降低活化能，活化分子总数和百分数都增大。故 ③④ 正确。 知识点四　有效碰撞理论对影响速率因素的解释 从有效碰撞理论看，外界条件正是通过改变“活化分子百分数”或“单位体积内活化分子数”，从而改变单位时间内有效碰撞的次数，进而影响反应速率。浓度、压强的影响如图： 图5　浓度、压强影响化学反应速率的微观解释 温度、催化剂的影响如图： 图6　温度、催化剂影响化学反应速率的微观解释 外界条件 活化分子百分数 单位体积活化分子数 有效碰撞次数 反应速率 增大反应物浓度 不变 增多 增多 增大 增大压强（缩小体积） 不变 增多 增多 增大 升高温度 增大 增多 增多 增大 加入催化剂 增大 增多 增多 增大 【例题 4】下列说法中正确的是________（填序号）： ①活化分子间的碰撞不一定能发生化学反应； ②普通分子间的碰撞可能发生化学反应； ③增大反应物浓度，可增大单位体积内活化分子数，从而使有效碰撞次数增多； ④加入反应物，活化分子百分数不变，化学反应速率可能不变； ⑤催化剂能增大活化分子百分数，从而成千成万倍地增大化学反应速率； ⑥有气体参加的反应，若增大压强（缩小容器体积），可增大活化分子的百分数，从而使反应速率增大。 【答案】①③④⑤ 【解析】①活化分子间的碰撞还需取向合适，不一定发生反应，正确；②普通分子能量不足，其碰撞不能发生反应，错误；③增大浓度时活化分子百分数不变，但单位体积内活化分子数增多、有效碰撞增多，正确；④若加入的反应物为固体，其浓度不变、速率不变，正确；⑤催化剂增大活化分子百分数，可成千成万倍地增大速率，正确；⑥增大压强并不能改变活化分子百分数，只增大单位体积内活化分子数，错误。 【变式 4-1】下列关于化学反应速率的说法正确的是（　　）①恒温时增大压强，反应速率一定加快；②其他条件不变，温度越高，反应速率越快；③使用催化剂可改变反应速率，从而改变该反应吸收或放出的热量；④升高温度能使速率增大，主要原因是增大了反应物分子中活化分子的百分数；⑤有气体参加的反应增大压强（缩小体积），可增加活化分子百分数，从而使速率增大；⑥增大反应物浓度，可增大活化分子百分数，从而使单位时间有效碰撞次数增多；⑦催化剂不参与反应，但能降低活化能、增大活化分子百分数，从而增大速率。 A．②⑥ B．②④ C．②③⑤⑦ D．①②④⑤ 【答案】B 【解析】①若反应无气体参加，增大压强速率不变，错误；②温度越高活化分子百分数越大，速率越快，正确；③催化剂不改变反应热，错误；④升温增大活化分子百分数，是速率增大的主要原因，正确；⑤增大压强活化分子百分数不变，错误；⑥增大浓度活化分子百分数不变，错误；⑦催化剂通过参与反应改变反应历程，“不参与反应”的表述错误。故 ②④ 正确。 【变式 4-2】对于水煤气变换反应 CO(g)＋H₂O(g)⇌CO₂(g)＋H₂(g)，下列条件的改变能增大活化分子百分数的是（　　） A．降低温度 B．增大反应物浓度 C．恒容条件下充入稀有气体 D．使用催化剂 【答案】D 【解析】降低温度使活化分子百分数减小，A 错误；增大浓度只增大单位体积内活化分子数、活化分子百分数不变，B 错误；恒容充入稀有气体，反应物浓度不变，活化分子百分数不变，C 错误；催化剂降低活化能，使部分普通分子成为活化分子，活化分子百分数增大，D 正确。 知识点五　速率方程与速率常数 化学反应速率通常指一定时间内的平均速率，反应未达平衡时，瞬时速率一般是不断变化的。对于基元反应，反应速率通常与各反应物浓度的幂之积成正比。 1．速率方程 对于反应 aA＋bB＋…→产物，其速率可表示为 v＝k·cˣ(A)·cʸ(B)·…，该式称为速率方程，其中 x、y 等由实验测定，不一定等于化学计量数。 2．速率常数 速率方程中的比例系数 k 称为速率常数。k 越大，反应进行得越快；速率常数 k 只受温度、催化剂等影响，与反应物的浓度无关。 【例题 5】某学习小组为探究反应速率(v)与反应物浓度的关系，在 20 ℃ 进行实验，设速率方程为 v＝k·cᵐ(BrO₃⁻)·cⁿ(Br⁻)·cᵖ(H⁺)，所得数据如下表： A．若温度升高到 40 ℃，则反应速率增大 B．实验①④可探究 c(BrO₃⁻) 对反应速率的影响 C．由表中数据可得 p＝1 D．实验⑤中 v₁＝4.8×10⁻⁸ mol·L⁻¹·s⁻¹ 数据＼编号 ① ② ③ ④ ⑤ c(H⁺)/mol·L⁻¹ 0.008 0.008 0.004 0.008 0.004 c(BrO₃⁻)/mol·L⁻¹ 0.001 0.001 0.001 0.002 0.002 c(Br⁻)/mol·L⁻¹ 0.10 0.20 0.20 0.10 0.40 v/×10⁻⁸ mol·L⁻¹·s⁻¹ 2.4 4.8 1.2 4.8 v₁ 【答案】C 【解析】升温反应速率增大，A 正确；①④只有 c(BrO₃⁻) 不同，可探究其影响，B 正确；对比②③，c(H⁺) 增大 1 倍（0.004→0.008）而速率增大 4 倍（1.2→4.8），故 p＝2，C 错误；由①②知 n＝1、由①④知 m＝1，⑤与③相比 c(H⁺) 相同、c(BrO₃⁻)与 c(Br⁻)均加倍，速率增大 4 倍，v₁＝1.2×10⁻⁸×4＝4.8×10⁻⁸，D 正确。 【变式 5-1】一定条件下，反应 H₂(g)＋Br₂(g)⇌2HBr(g)的速率方程为 v＝k·c^α(H₂)·c^β(Br₂)·c^γ(HBr)，某温度下不同浓度时的反应速率如下表： A．表中 x 的值为 1 B．α、β、γ 的值分别为 1、2、−1 C．三种物质中，Br₂(g)的浓度对反应速率影响最大 D．保持其他物质浓度不变，增大 HBr(g)浓度会使反应速率降低 c(H₂) c(Br₂) c(HBr) 反应速率 0.1 0.1 2 v 0.1 0.4 2 8v 0.2 0.4 2 16v 0.4 0.1 4 2v 0.2 0.1 x 4v 【答案】B 【解析】第1→2组，c(Br₂)增大为 4 倍、速率增大为 8 倍，4^β＝8，β＝3/2；第2→3组，c(H₂)加倍、速率加倍，α＝1；第1→4组，c(H₂)增为 4 倍、c(HBr)加倍而速率仅增为 2 倍，得 γ＝−1；再由第4→5组可求得 x＝1，A 正确。故 α、β、γ＝1、3/2、−1，B 错误；β 的绝对值最大，Br₂ 浓度影响最大，C 正确；γ＝−1，增大 HBr 浓度使速率降低，D 正确。 【变式 5-2】CO 是常用的还原剂。一定条件下，反应 2NO(g)＋2CO(g)⇌N₂(g)＋2CO₂(g)的速率方程为 v＝k·cᵃ(NO)·cᵇ(CO)（k 只与温度、催化剂有关），某温度下数据如下表： (1) 根据表中数据，下列推断正确的是________：A．a＝1、b＝2　B．a＝1、b＝1　C．a＝2、b＝2　D．a＝2、b＝1； (2) 改变下列一个条件，反应速率增大的是________：A．降温　B．缩小体积　C．加入催化剂　D．减压。 编号 c(NO) c(CO) 反应速率 ① 0.10 0.10 v ② 0.20 0.10 2v ③ 0.20 0.20 4v 【答案】(1) B (2) BC 【解析】(1) ①→②，c(NO)加倍、速率加倍，a＝1；②→③，c(CO)加倍、速率加倍，b＝1，选 B；(2) 缩小体积可增大浓度、加入催化剂均使速率增大，降温、减压使速率减慢，选 BC。 四、课堂练习　限时10分钟，检验当堂学习效果 【练习 1】升高温度，化学反应速率加快的主要原因是（　　） A．分子运动速率加快 B．活化能增加 C．体系能量增加 D．活化分子的百分数增大 【答案】D 【解析】升高温度使部分普通分子获得能量变为活化分子，活化分子百分数增大、单位时间内有效碰撞次数增加，这是速率加快的主要原因，D 正确。 【练习 2】下列关于化学反应速率的说法正确的是（　　） A．升高温度可降低化学反应的活化能，加快反应速率 B．反应物浓度增大，单位体积内活化分子数增多，有效碰撞几率增加，速率增大 C．催化剂能增大反应的活化能，从而加快反应速率 D．有气体参加的反应增大压强，可增加活化分子的百分数，从而加快速率 【答案】B 【解析】升高温度不能降低活化能，A 错；反应物浓度增大时活化分子百分数不变，但单位体积内活化分子数增多，B 正确；催化剂降低活化能，C 错；增大压强时活化分子百分数不变，D 错。 【练习 3】下列关于可逆反应 2SO₂(g)＋O₂(g)⇌2SO₃(g)　ΔH＜0 的说法正确的是（　　） A．活化分子之间的碰撞一定是有效碰撞 B．增大反应物浓度，可使单位体积内活化分子百分数增多，速率加快 C．升高反应体系温度，可使单位体积内活化分子增多，速率加快 D．催化剂能降低反应的活化能，使单位体积内活化分子百分数大大增加，速率加快 【答案】D 【解析】活化分子之间的碰撞不一定是有效碰撞，A 错；增大浓度时活化分子百分数不变，B 错；升温主要使活化分子百分数增大，C 表述不准确；催化剂降低活化能、增大活化分子百分数，D 正确。 【练习 4】在催化剂作用下，有机物 DMO（CH₃OOC—COOCH₃）与 H₂ 反应能够转化为 EG（乙二醇），其反应过程如图所示。下列说法正确的是（　　） A．Cu 纳米颗粒在反应过程中不参与化学反应 B．Cu 纳米颗粒在反应过程中能够降低反应的活化能 C．DMO 在反应过程中吸收能量，断裂 C—O、C—H 键 D．温度越高，Cu 纳米颗粒的催化效果越好 图7　DMO 在 Cu 纳米颗粒催化下加氢生成 EG 的机理 【答案】B 【解析】由图知 Cu 纳米颗粒吸附 H₂ 并形成 H—Cu—H 过渡态，参与了反应，A 错；Cu 在反应前后不变，作催化剂，能降低反应的活化能，B 正确；DMO 转化为 CH₃OH 和乙二醇时断裂的是 C—O、C＝O 键，C—H 键并未断裂，C 错；催化剂活性受温度影响，温度过高或过低效果都会下降，D 错。 【练习 5】下列说法正确的是（　　） A．一定条件下，增大反应物的量会加快化学反应速率 B．增大压强，一定会加快化学反应速率 C．催化剂参与了化学反应、降低了活化能，从而加快反应速率 D．活化分子间的碰撞叫做有效碰撞 【答案】C 【解析】若反应物为固体，增大其用量时浓度不变、速率不变，A 错；对没有气体参加的反应，增大压强速率不变，B 错；催化剂通过参与反应、改变历程而降低活化能，C 正确；活化分子间的碰撞还需取向合适才是有效碰撞，D 错。 【练习 6】下列说法正确的是（　　）①活化分子间的碰撞一定能发生化学反应；②普通分子有时也能发生有效碰撞；③升温加快速率，原因是增加了活化分子的有效碰撞次数；④增大浓度加快速率，原因是单位体积内有效碰撞次数增多；⑤使用催化剂提高速率，原因是提高了分子能量、使有效碰撞频率增大；⑥化学反应的实质是活化分子有合适取向时的有效碰撞。 A．①②⑤ B．③④⑥ C．③④⑤ D．②③④ 【答案】B 【解析】①活化分子间的碰撞还需取向合适，错误；②普通分子能量不足，不能发生有效碰撞，错误；③升温使活化分子增多、有效碰撞次数增多，正确；④增大浓度使单位体积内有效碰撞次数增多，正确；⑤催化剂降低活化能而非提高分子能量，错误；⑥符合碰撞理论对反应实质的描述，正确。 五、课后作业　A组·基础巩固　B组·能力提升 A组　基础巩固 【作业 1】下列说法正确的是（　　） A．活化能接近零的反应，当反应物相互接触时反应瞬间完成，且温度对其速率几乎没有影响 B．升高温度和增大压强都是通过增大活化分子百分数来加快反应速率的 C．把能够发生有效碰撞的分子叫做活化分子，把活化分子具有的能量叫做活化能 D．活化能的大小不仅意味着一般分子成为活化分子的难易，也会影响化学反应前后的能量变化 【答案】A 【解析】活化能接近零，反应不需能量推动，反应物接触即反应，且温度影响很小，A 正确；增大压强并不改变活化分子百分数，B 错；活化能是活化分子平均能量与反应物分子平均能量之差，C 错；活化能不影响化学反应前后的能量变化，D 错。 【作业 2】过渡态理论认为，化学反应不是通过反应物分子的简单碰撞完成的，在生成产物前先生成高能量的活化配合物。NO₂(g)＋CO(g)=CO₂(g)＋NO(g)的反应历程如图，下列有关说法正确的是（　　） A．第二步活化配合物之间的碰撞一定是有效碰撞 B．活化配合物的能量越高，第一步反应速率越快 C．第一步反应需要吸收能量 D．该反应的速率主要取决于第二步反应 图8　NO₂与 CO 反应中活化配合物的形成过程 【答案】C 【解析】活化分子（活化配合物）之间的碰撞不一定能发生反应，不一定是有效碰撞，A 错；活化配合物能量越高，单位体积内数目越少、有效碰撞几率越小，第一步速率越慢，B 错；第一步形成高能量活化配合物，需要吸收能量，C 正确；第一步为慢反应，总速率主要取决于第一步，D 错。 【作业 3】下列说法正确的是（　　） A．增大反应物的质量，活化分子百分数增大，反应速率增大 B．升高温度，活化分子百分数增大，反应速率增大 C．增大压强，活化分子百分数增大，反应速率增大 D．使用催化剂，分子能量提高，活化分子百分数增大，反应速率增大 【答案】B 【解析】增大反应物（固体）的质量，其浓度不变，速率不变，A 错；升高温度，活化分子百分数增大、有效碰撞几率增大，速率增大，B 正确；增大压强时活化分子百分数不变，C 错；催化剂降低活化能，并非提高分子能量，D 错。 【作业 4】NO 催化 O₃ 分解的总反应为 2O₃→3O₂，其反应历程与能量的关系如图所示。下列叙述正确的是（　　） A．三步反应的 ΔH 均小于 0 B．第一步反应的速率最快 C．第二步反应中断裂的化学键只有共价键 D．NO 改变了总反应的反应历程和焓变 图9　NO 催化 O₃ 分解的能量反应历程 【答案】C 【解析】由图可知，历程中有几步能量升高，为吸热过程，ΔH 大于 0，A 错；第一步反应的活化能最大，是速率最慢的一步，B 错；该反应所涉及的物质均由共价键构成，第二步断裂的化学键只有共价键，C 正确；NO 是催化剂，只改变反应历程而不改变反应的焓变，D 错。 【作业 5】亚硝酰氯（NOCl）在有机合成中有重要应用，反应 2NO(g)＋Cl₂(g)⇌2NOCl(g)的反应历程与能量关系如图所示。下列说法错误的是（　　） A．催化剂能提高反应物的相对能量 B．相对曲线Ⅱ，曲线Ⅰ表示加入了催化剂 C．曲线Ⅱ的正反应活化能为（196−180.5）kJ·mol⁻¹ D．该反应的 ΔH＝（103.4−180.5）kJ·mol⁻¹ 图10　亚硝酰氯合成反应的能量历程 【答案】A 【解析】催化剂不改变反应物的相对能量，只降低过渡态（活化配合物）的相对能量，A 错误；曲线Ⅰ的峰值（196）低于曲线Ⅱ，活化能较小，表示加入了催化剂，B 正确；正反应活化能等于过渡态与反应物的能量差，即 196−180.5，C 正确；反应热等于产物与反应物总能量之差，即 103.4−180.5，D 正确。 【作业 6】利用 CO₂ 和 H₂ 合成甲醇的反应历程如图所示（CO、CH₂O 为可能的副产物）。下列说法正确的是（　　） A．合成甲醇的反应为放热反应 B．生成 CO 的反应活化能为 0.95 eV C．副产物有 CO、CH₂O，其中 CH₂O 相对较多 D．合成甲醇历程中速率较慢的是活化能最大的那一步 图11　CO₂ 加氢合成甲醇的反应历程 【答案】D 【解析】以起始 CO₂、H₂ 能量为基准，最终 CH₃OH、H₂O 的能量为 0.45 eV（大于 0），反应为吸热反应，A 错；活化能是过渡态与该步反应物的能量差，并不能直接取 0.95 eV，B 错；活化能越大反应越慢、越易累积，由图比较可知副产物中并非 CH₂O 相对较多，C 错；反应速率由活化能最大的基元反应决定，即速率最慢的是活化能最大的一步，D 正确。 B组　能力提升 【作业 7】SO₂ 歧化反应的化学方程式为 3SO₂＋2H₂O=2H₂SO₄＋S↓，I⁻ 可作为水溶液中 SO₂ 歧化反应的催化剂，可能的催化过程如下：ⅰ. SO₂＋4I⁻＋4H⁺=S↓＋2I₂＋2H₂O；ⅱ. I₂＋2H₂O＋____=____＋____＋2I⁻。 (1) 将反应 ⅱ 补充完整：I₂＋2H₂O＋________＝________＋________＋2I⁻； (2) 探究 ⅰ、ⅱ 反应速率与 SO₂ 歧化速率的关系，分别将 18 mL SO₂ 饱和溶液加入 2 mL 下列试剂中，密闭观察（已知 I₂ 易溶于 KI 溶液）： 序号 A B C D 试剂组成 0.4 mol·L⁻¹ KI a mol·L⁻¹ KI、0.2 mol·L⁻¹ H₂SO₄ 0.2 mol·L⁻¹ H₂SO₄ 0.2 mol·L⁻¹ KI、0.000 2 mol I₂ 实验现象 变黄，一段时间后浑浊 变黄，浑浊较 A 快 无明显现象 棕褐色很快褪色变黄，浑浊较 A 快 ① B 是 A 的对比实验，则 a＝________； ② 比较 A、B、C，可得出的结论是________； ③ 实验表明 SO₂ 歧化速率 D＞A，结合 ⅰ、ⅱ 的反应速率解释原因：________。 【答案】(1) SO₂　S　4H⁺ (2) ① 0.4　② I⁻ 是 SO₂ 歧化反应的催化剂，H⁺ 单独存在时不具有催化作用，但 H⁺ 可以增强 I⁻ 的催化效果　③ 反应 ⅱ 比 ⅰ 快；D 中直接加入 I₂，反应 ⅱ 立即发生，由 ⅱ 产生的 H⁺ 又使反应 ⅰ 加快，故 D 的总速率比 A 大 【解析】(1) 由 SO₂ 歧化总反应减去反应 ⅰ 可得 ⅱ：I₂＋2H₂O＋SO₂=S↓＋4H⁺＋2I⁻；(2) ① B 为 A 的对比实验，KI 浓度必须相同，a＝0.4；② A 说明 I⁻ 能催化歧化，C 中 H⁺ 单独存在无催化作用，B 较 A 快说明 H⁺ 可增强 I⁻ 的催化效果；③ D 中直接加入 I₂，反应 ⅱ 立即发生，产生的 H⁺ 进而加快反应 ⅰ。 【作业 8】某反应的速率方程为 v＝k·cᵐ(A)·cⁿ(B)，其半衰期（剩余反应物恰为起始一半所需时间）为一定值。改变反应物浓度时，反应的瞬时速率如下表： A．速率方程中 m＝1、n＝1 B．该反应的速率常数 k＝5.6×10⁻³ min⁻¹ C．增大反应物浓度时 k 增大，导致瞬时速率加快 D．在 B 过量时，反应掉 87.5% 的 A 所需时间为 375 min c(A)/mol·L⁻¹ c(B)/mol·L⁻¹ v/×10⁻³ mol·L⁻¹·min⁻¹ 0.25 0.050 1.4 0.50 0.050 2.8 1.00 0.050 5.6 0.50 0.100 2.8 【答案】D 【解析】对比第一、二组，c(A)加倍、速率加倍，m＝1；对比第二、四组，c(B)加倍而速率不变，n＝0，A 错；由 v＝k·c(A)，代入第一组 1.4×10⁻³＝k×0.25，k＝5.6×10⁻³ L·mol⁻¹·min⁻¹（单位不是 min⁻¹），B 错；k 只受温度影响，与浓度无关，C 错；B 过量时反应掉 87.5% 的 A 可看作经历 3 个半衰期（50%＋25%＋12.5%），一个半衰期为 ln2/k＝0.693/(5.6×10⁻³)＝123.75 min，3 个为 371.25≈375 min（按题给数据口径），D 正确。 【作业 9】汽车尾气中的 CO、NOₓ 是大气污染物，可用不同方法处理氮的氧化物。回答下列问题： (1) 已知：N₂(g)＋O₂(g)=2NO(g)　ΔH＝＋180 kJ·mol⁻¹；4NH₃(g)＋5O₂(g)=4NO(g)＋6H₂O(l)　ΔH＝−906 kJ·mol⁻¹。写出 NH₃ 将 NO 转化为无毒物质的热化学方程式：________； (2) 工业上除去 NO 的一种反应机理如图（V 表示催化剂表面的钒活性中心），该反应的化学方程式为________； 图12　NH₃ 在催化剂表面还原 NO 的反应机理 图13　不同催化剂上 NO 去除率随温度的变化 (3) 利用 H₂ 还原 NO：2H₂(g)＋2NO(g)⇌N₂(g)＋2H₂O(g)，速率方程为 v＝k·c^α(H₂)·c^β(NO)，根据不同浓度下的速率数据，可求得 α＝________、β＝________； (4) 在 C(s)＋2NO(g)⇌N₂(g)＋CO₂(g)中，分别用 C、CaO/C、La₂O₃/C 作催化剂（对应曲线 c、a、b）：① 490 ℃ 以下反应活化能最小的是________（用 a、b、c 表示）；② 490 ℃ 时，2 h 内 NO 的去除率为 45%，则 v(NO)＝________ mol·L⁻¹·h⁻¹（NO 起始浓度为 0.1 mol·L⁻¹）。 【答案】(1) 4NH₃(g)＋6NO(g)=5N₂(g)＋6H₂O(l)　ΔH＝−1806 kJ·mol⁻¹ (2) 4NH₃＋4NO＋O₂=4N₂＋6H₂O (3) α＝1、β＝2 (4) ① a　② 0.0225 【解析】(1) 根据盖斯定律，由第二个反应减去第一个反应的 5 倍：ΔH＝−906−5×180＝−1806 kJ·mol⁻¹；(2) 由机理图知反应物为 NH₃、NO、O₂，生成物为 N₂、H₂O，配平得 4NH₃＋4NO＋O₂=4N₂＋6H₂O；(3) 由速率随 c(H₂)、c(NO)的变化倍数可得 α＝1、β＝2；(4) ① 活化能越小、相同条件下反应越快、NO 去除率越大，490 ℃ 以下曲线 a 去除率最大，故活化能最小的是 a；② NO 浓度减小量＝0.1×45%＝0.045 mol·L⁻¹，v(NO)＝0.045/2＝0.0225 mol·L⁻¹·h⁻¹。 【作业 10】科学家研究甲醇与水蒸气重整制氢气时，得到甲醇在 Pd(Ⅲ)表面解离的路径与相对能量关系如图所示（附在 Pd 表面的物种用 * 标注）。下列说法错误的是（　　） A．过程②中包含 C—H 键的断裂过程 B．该历程中能垒（活化能）最小的是过程③ C．该反应的决速步骤为 CHO*＋3H*→CO*＋4H* D．由此历程可知 CH₃OH(g)→CO(g)＋2H₂(g)　ΔH＞0 图14　甲醇在 Pd 表面解离的路径与相对能量 【答案】C 【解析】1 个 CH₃O* 含 3 个 C—H 键、1 个 C—O 键，CH₂O* 含 2 个 C—H 键，故过程② CH₃O*→CH₂O*＋H* 包含 C—H 键断裂，A 正确；由图比较各步能垒，过程③的活化能最小，B 正确；总反应速率由能垒最大（最慢）的一步决定，图中能垒最大的是过程⑤（CO*＋4H*→CO*＋2H₂），并非 CHO*＋3H*→CO*＋4H*，C 错误；比较起始 CH₃OH* 与终态 CO*＋2H₂ 的相对能量，终态能量较高，ΔH＞0，D 正确。 学科网（北京）股份有限公司 $ 第二章　化学反应速率与化学平衡 第一节　化学反应速率　第3课时　活化能 学生版（课后核对·独立作答） 一、三维目标 1．知识与技能 ● 知道化学反应是有历程的，了解基元反应、自由基、反应机理等概念，认识总反应的速率由最慢的基元反应（决速步）决定； ● 理解有效碰撞、活化分子、活化能的含义，能借助能量关系图说明正、逆反应活化能与反应热的关系； ● 能用有效碰撞理论解释浓度、压强、温度、催化剂对化学反应速率的影响，初步了解速率方程与速率常数。 2．过程与方法 ● 经历有效碰撞理论模型的建构与应用，体会“理论模型—微观解释—宏观现象”的化学思维，发展模型认知与证据推理能力； ● 通过对反应历程图、能量变化图的分析，提高读图、析图以及从微观本质解释宏观规律的能力。 3．情感态度与价值观 ● 通过活化能、催化剂知识在合成氨、汽车尾气治理等领域的应用，体会化学理论对生产实践与环境保护的指导价值； ● 在理论探究中养成严谨求实、勇于探索的科学态度，感受微观化学世界的有序与奇妙。 二、教学重点与难点 项目 具体内容 教学重点 有效碰撞、活化分子、活化能的概念；用有效碰撞理论解释浓度、压强、温度、催化剂对速率的影响；决速步的判断。 教学难点 活化能与反应热（正、逆反应活化能）关系的理解；反应历程与能量变化图的综合分析；活化分子总数与活化分子百分数变化的辨析。 三、教学过程　知识梳理与典例探究 知识点一　基元反应与反应历程 1．基元反应 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。基元反应发生的先决条件，是反应物的分子（或微粒）必须发生碰撞。 2．自由基 带有单电子的原子或原子团叫自由基，如 I·、Cl·、O· 等。自由基反应活性很强、寿命极短。例如碘化氢的分解，总反应为 2HI=H₂＋I₂，实际上是经过两步基元反应完成的：2HI→H₂＋2I·；2I·→I₂。 3．反应历程（反应机理） 与某化学反应有关的一组基元反应，反映了该反应的反应历程，反应历程又称反应机理。 ● 反应不同，反应历程一般不相同；同一反应在不同条件下，反应历程也可能不同； ● 反应历程的差别造成了化学反应速率的不同； ● 对于由多个基元反应组成的化学反应，其反应的快慢由最慢的一步基元反应决定，该步称为决速步（速率控制步骤）。 【例题 1】对于反应 2NO(g)＋2H₂(g)→N₂(g)＋2H₂O(g)，科学家根据光谱研究提出如下反应历程：第一步 2NO⇌N₂O₂（快反应）；第二步 N₂O₂＋H₂→N₂O＋H₂O（慢反应）；第三步 N₂O＋H₂→N₂＋H₂O（快反应）。可近似认为第二步反应不影响第一步反应的平衡，下列叙述正确的是（　　） A．该反应的速率由第二步反应决定 B．反应的中间产物有 N₂O₂、N₂O 和 H₂ C．第三步反应中 N₂O 与 H₂ 的每一次碰撞都是有效碰撞 D．若第一步反应 ΔH＜0，则升高温度，正反应速率减小、逆反应速率增大 【变式 1-1】甲烷与氯气在光照条件下存在如下反应历程（“·”表示单电子）：① Cl₂→2Cl·（慢反应）；② CH₄＋Cl·→·CH₃＋HCl（快反应）；③ ·CH₃＋Cl₂→CH₃Cl＋Cl·（快反应）；④ ·CH₃＋Cl·→CH₃Cl（快反应）。已知较慢的一步控制总反应的速率，下列说法不正确的是（　　） A．上述过程的总反应方程式为 CH₄＋Cl₂→CH₃Cl＋HCl B．光照的主要作用是促进反应①的进行，从而使总反应速率加快 C．反应②～④都是由微粒通过碰撞而发生的反应 D．反应①是释放能量的反应 【变式 1-2】科学家利用过渡金属氮化物（TMNS）在常温下催化实现氨的合成，其反应机理如图所示。下列有关说法错误的是（　　） A．TMNS 大大降低了合成氨反应的焓变 B．TMNS 表面上的 N 原子最终被还原为氨 C．TMNS 表面上氨脱附产生的空位有利于吸附 N₂ D．用同位素标记后的 ¹⁵N₂ 进行该合成反应，产物中不只有 ¹⁵NH₃ 图1　过渡金属氮化物（TMNS）常温催化合成氨的机理 知识点二　有效碰撞理论 1．有效碰撞的概念 能发生化学反应的碰撞称为有效碰撞。反应物分子之间发生碰撞，只是化学反应发生的前提，并不是每一次碰撞都能引发反应。 2．有效碰撞必须满足的两个条件 ● 分子具有足够的能量（即为活化分子）； ● 分子在碰撞时具有合适的取向。 3．有效碰撞与反应速率的关系 单位时间内有效碰撞的次数（有效碰撞频率）越高，化学反应速率越快。碰撞类型可归纳如下： 碰撞类型 碰撞的特点 结果 无效碰撞 反应物分子能量不足，或碰撞取向不当 不发生化学反应 有效碰撞 分子能量足够（为活化分子），且碰撞取向合适 发生化学反应 【例题 2】下列说法正确的是（　　） A．活化分子的每一次碰撞都能够发生化学反应 B．能够发生有效碰撞的分子叫做活化分子 C．反应物用量增加后，有效碰撞次数增多，反应速率增大 D．催化剂能提高活化分子的活化能，从而加快反应速率 【变式 2-1】下列有关有效碰撞理论的说法不正确的是（　　） A．能发生有效碰撞的分子一定是活化分子 B．有效碰撞是发生化学反应的充要条件 C．改变温度可以改变反应的活化能 D．活化分子间的碰撞不一定是有效碰撞 【变式 2-2】下列说法中错误的是（　　） A．对有气体参加的反应，减小容器体积、体系压强增大，可使单位体积内活化分子数增加，因而反应速率增大 B．活化分子之间发生的碰撞一定为有效碰撞 C．升高温度，一般可使活化分子的百分数增大，因而反应速率增大 D．加入适宜的催化剂，可使活化分子的百分数大大增加，从而增大反应速率 知识点三　活化分子与活化能 1．活化分子 具有足够能量、能够发生有效碰撞的分子称为活化分子。对于某一化学反应，在一定条件下，反应物分子中活化分子的百分数是一定的。 2．活化能 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，叫做反应的活化能。反应物、生成物的能量与活化能的关系如图所示： 图2　反应物、生成物的能量与活化能的关系 ● E₁：正反应的活化能；E₂：活化分子变成生成物分子所放出的能量，也可看作逆反应的活化能； ● E₁−E₂：反应热，即 ΔH＝E₁−E₂； ● 催化剂的作用是降低反应的活化能，使活化分子百分数增大，从而显著加快反应速率，但不改变反应热。 【例题 3】在化学反应中，把能够发生有效碰撞的分子叫做活化分子，把活化分子比普通分子多出的那部分能量称作活化能（单位 kJ·mol⁻¹）。图中实线（Ⅰ）、虚线（Ⅱ）表示同一反应的两种途径，回答下列问题： (1) 图中所示反应是________（填“吸热”或“放热”）反应，该反应的 ΔH＝________ kJ·mol⁻¹（用含 E₁、E₂ 的代数式表示）； (2) 虚线（Ⅱ）与实线（Ⅰ）相比，活化分子的最低能量明显降低、反应速率加快，最可能的原因是________； (3) 下列反应中符合示意图所描述（生成物能量高于反应物、需提供能量）的是________：A．氧化钙与水反应　B．A(g)＋2B(g)→C(g)，其中 C 的能量高于 A 的能量　C．铝粉与铁红的铝热反应　D．灼热的碳与 CO₂ 反应； (4) 已知热化学方程式 A(g)＋2B(g)=C(g)　ΔH＝＋a kJ·mol⁻¹，该反应的活化能为 b kJ·mol⁻¹，则其逆反应的活化能为________ kJ·mol⁻¹。 图3　吸热反应的活化能与催化途径 【变式 3-1】在化学反应中，只有极少数能量比平均能量高得多的反应物分子发生碰撞时才可能发生化学反应，这些分子称为活化分子；使普通分子变成活化分子所需提供的最低限度的能量叫活化能。请认真观察下图（E₁、E₂ 分别表示反应物、生成物的总能量），回答问题： (1) 图中所示反应是________（填“吸热”或“放热”）反应，该反应的 ΔH＝________（用含 E₁、E₂ 的代数式表示）； (2) 下列反应中符合示意图描述的是________：A．盐酸与 NaOH 反应　B．Na 与 H₂O 反应生成 H₂　C．铝热反应　D．灼热的炭与水蒸气反应生成 CO 和 H₂； (3) 已知热化学方程式 H₂(g)＋½O₂(g)=H₂O(g)　ΔH＝−241.8 kJ·mol⁻¹，该反应的活化能为 167.2 kJ·mol⁻¹，则其逆反应的活化能为________。 图4　放热反应的活化能与催化途径 【变式 3-2】在有气体参加的反应中，能使反应物中活化分子总数和活化分子百分数都增大的措施有（　　）①增大反应物浓度　②增大压强　③升高温度　④加入催化剂 A．①② B．②④ C．①③ D．③④ 知识点四　有效碰撞理论对影响速率因素的解释 从有效碰撞理论看，外界条件正是通过改变“活化分子百分数”或“单位体积内活化分子数”，从而改变单位时间内有效碰撞的次数，进而影响反应速率。浓度、压强的影响如图： 图5　浓度、压强影响化学反应速率的微观解释 温度、催化剂的影响如图： 图6　温度、催化剂影响化学反应速率的微观解释 外界条件 活化分子百分数 单位体积活化分子数 有效碰撞次数 反应速率 增大反应物浓度 不变 增多 增多 增大 增大压强（缩小体积） 不变 增多 增多 增大 升高温度 增大 增多 增多 增大 加入催化剂 增大 增多 增多 增大 【例题 4】下列说法中正确的是________（填序号）： ①活化分子间的碰撞不一定能发生化学反应； ②普通分子间的碰撞可能发生化学反应； ③增大反应物浓度，可增大单位体积内活化分子数，从而使有效碰撞次数增多； ④加入反应物，活化分子百分数不变，化学反应速率可能不变； ⑤催化剂能增大活化分子百分数，从而成千成万倍地增大化学反应速率； ⑥有气体参加的反应，若增大压强（缩小容器体积），可增大活化分子的百分数，从而使反应速率增大。 【变式 4-1】下列关于化学反应速率的说法正确的是（　　）①恒温时增大压强，反应速率一定加快；②其他条件不变，温度越高，反应速率越快；③使用催化剂可改变反应速率，从而改变该反应吸收或放出的热量；④升高温度能使速率增大，主要原因是增大了反应物分子中活化分子的百分数；⑤有气体参加的反应增大压强（缩小体积），可增加活化分子百分数，从而使速率增大；⑥增大反应物浓度，可增大活化分子百分数，从而使单位时间有效碰撞次数增多；⑦催化剂不参与反应，但能降低活化能、增大活化分子百分数，从而增大速率。 A．②⑥ B．②④ C．②③⑤⑦ D．①②④⑤ 【变式 4-2】对于水煤气变换反应 CO(g)＋H₂O(g)⇌CO₂(g)＋H₂(g)，下列条件的改变能增大活化分子百分数的是（　　） A．降低温度 B．增大反应物浓度 C．恒容条件下充入稀有气体 D．使用催化剂 知识点五　速率方程与速率常数 化学反应速率通常指一定时间内的平均速率，反应未达平衡时，瞬时速率一般是不断变化的。对于基元反应，反应速率通常与各反应物浓度的幂之积成正比。 1．速率方程 对于反应 aA＋bB＋…→产物，其速率可表示为 v＝k·cˣ(A)·cʸ(B)·…，该式称为速率方程，其中 x、y 等由实验测定，不一定等于化学计量数。 2．速率常数 速率方程中的比例系数 k 称为速率常数。k 越大，反应进行得越快；速率常数 k 只受温度、催化剂等影响，与反应物的浓度无关。 【例题 5】某学习小组为探究反应速率(v)与反应物浓度的关系，在 20 ℃ 进行实验，设速率方程为 v＝k·cᵐ(BrO₃⁻)·cⁿ(Br⁻)·cᵖ(H⁺)，所得数据如下表： A．若温度升高到 40 ℃，则反应速率增大 B．实验①④可探究 c(BrO₃⁻) 对反应速率的影响 C．由表中数据可得 p＝1 D．实验⑤中 v₁＝4.8×10⁻⁸ mol·L⁻¹·s⁻¹ 数据＼编号 ① ② ③ ④ ⑤ c(H⁺)/mol·L⁻¹ 0.008 0.008 0.004 0.008 0.004 c(BrO₃⁻)/mol·L⁻¹ 0.001 0.001 0.001 0.002 0.002 c(Br⁻)/mol·L⁻¹ 0.10 0.20 0.20 0.10 0.40 v/×10⁻⁸ mol·L⁻¹·s⁻¹ 2.4 4.8 1.2 4.8 v₁ 【变式 5-1】一定条件下，反应 H₂(g)＋Br₂(g)⇌2HBr(g)的速率方程为 v＝k·c^α(H₂)·c^β(Br₂)·c^γ(HBr)，某温度下不同浓度时的反应速率如下表： A．表中 x 的值为 1 B．α、β、γ 的值分别为 1、2、−1 C．三种物质中，Br₂(g)的浓度对反应速率影响最大 D．保持其他物质浓度不变，增大 HBr(g)浓度会使反应速率降低 c(H₂) c(Br₂) c(HBr) 反应速率 0.1 0.1 2 v 0.1 0.4 2 8v 0.2 0.4 2 16v 0.4 0.1 4 2v 0.2 0.1 x 4v 【变式 5-2】CO 是常用的还原剂。一定条件下，反应 2NO(g)＋2CO(g)⇌N₂(g)＋2CO₂(g)的速率方程为 v＝k·cᵃ(NO)·cᵇ(CO)（k 只与温度、催化剂有关），某温度下数据如下表： (1) 根据表中数据，下列推断正确的是________：A．a＝1、b＝2　B．a＝1、b＝1　C．a＝2、b＝2　D．a＝2、b＝1； (2) 改变下列一个条件，反应速率增大的是________：A．降温　B．缩小体积　C．加入催化剂　D．减压。 编号 c(NO) c(CO) 反应速率 ① 0.10 0.10 v ② 0.20 0.10 2v ③ 0.20 0.20 4v 四、课堂练习　限时10分钟，检验当堂学习效果 【练习 1】升高温度，化学反应速率加快的主要原因是（　　） A．分子运动速率加快 B．活化能增加 C．体系能量增加 D．活化分子的百分数增大 【练习 2】下列关于化学反应速率的说法正确的是（　　） A．升高温度可降低化学反应的活化能，加快反应速率 B．反应物浓度增大，单位体积内活化分子数增多，有效碰撞几率增加，速率增大 C．催化剂能增大反应的活化能，从而加快反应速率 D．有气体参加的反应增大压强，可增加活化分子的百分数，从而加快速率 【练习 3】下列关于可逆反应 2SO₂(g)＋O₂(g)⇌2SO₃(g)　ΔH＜0 的说法正确的是（　　） A．活化分子之间的碰撞一定是有效碰撞 B．增大反应物浓度，可使单位体积内活化分子百分数增多，速率加快 C．升高反应体系温度，可使单位体积内活化分子增多，速率加快 D．催化剂能降低反应的活化能，使单位体积内活化分子百分数大大增加，速率加快 【练习 4】在催化剂作用下，有机物 DMO（CH₃OOC—COOCH₃）与 H₂ 反应能够转化为 EG（乙二醇），其反应过程如图所示。下列说法正确的是（　　） A．Cu 纳米颗粒在反应过程中不参与化学反应 B．Cu 纳米颗粒在反应过程中能够降低反应的活化能 C．DMO 在反应过程中吸收能量，断裂 C—O、C—H 键 D．温度越高，Cu 纳米颗粒的催化效果越好 图7　DMO 在 Cu 纳米颗粒催化下加氢生成 EG 的机理 【练习 5】下列说法正确的是（　　） A．一定条件下，增大反应物的量会加快化学反应速率 B．增大压强，一定会加快化学反应速率 C．催化剂参与了化学反应、降低了活化能，从而加快反应速率 D．活化分子间的碰撞叫做有效碰撞 【练习 6】下列说法正确的是（　　）①活化分子间的碰撞一定能发生化学反应；②普通分子有时也能发生有效碰撞；③升温加快速率，原因是增加了活化分子的有效碰撞次数；④增大浓度加快速率，原因是单位体积内有效碰撞次数增多；⑤使用催化剂提高速率，原因是提高了分子能量、使有效碰撞频率增大；⑥化学反应的实质是活化分子有合适取向时的有效碰撞。 A．①②⑤ B．③④⑥ C．③④⑤ D．②③④ 五、课后作业　A组·基础巩固　B组·能力提升 A组　基础巩固 【作业 1】下列说法正确的是（　　） A．活化能接近零的反应，当反应物相互接触时反应瞬间完成，且温度对其速率几乎没有影响 B．升高温度和增大压强都是通过增大活化分子百分数来加快反应速率的 C．把能够发生有效碰撞的分子叫做活化分子，把活化分子具有的能量叫做活化能 D．活化能的大小不仅意味着一般分子成为活化分子的难易，也会影响化学反应前后的能量变化 【作业 2】过渡态理论认为，化学反应不是通过反应物分子的简单碰撞完成的，在生成产物前先生成高能量的活化配合物。NO₂(g)＋CO(g)=CO₂(g)＋NO(g)的反应历程如图，下列有关说法正确的是（　　） A．第二步活化配合物之间的碰撞一定是有效碰撞 B．活化配合物的能量越高，第一步反应速率越快 C．第一步反应需要吸收能量 D．该反应的速率主要取决于第二步反应 图8　NO₂与 CO 反应中活化配合物的形成过程 【作业 3】下列说法正确的是（　　） A．增大反应物的质量，活化分子百分数增大，反应速率增大 B．升高温度，活化分子百分数增大，反应速率增大 C．增大压强，活化分子百分数增大，反应速率增大 D．使用催化剂，分子能量提高，活化分子百分数增大，反应速率增大 【作业 4】NO 催化 O₃ 分解的总反应为 2O₃→3O₂，其反应历程与能量的关系如图所示。下列叙述正确的是（　　） A．三步反应的 ΔH 均小于 0 B．第一步反应的速率最快 C．第二步反应中断裂的化学键只有共价键 D．NO 改变了总反应的反应历程和焓变 图9　NO 催化 O₃ 分解的能量反应历程 【作业 5】亚硝酰氯（NOCl）在有机合成中有重要应用，反应 2NO(g)＋Cl₂(g)⇌2NOCl(g)的反应历程与能量关系如图所示。下列说法错误的是（　　） A．催化剂能提高反应物的相对能量 B．相对曲线Ⅱ，曲线Ⅰ表示加入了催化剂 C．曲线Ⅱ的正反应活化能为（196−180.5）kJ·mol⁻¹ D．该反应的 ΔH＝（103.4−180.5）kJ·mol⁻¹ 图10　亚硝酰氯合成反应的能量历程 【作业 6】利用 CO₂ 和 H₂ 合成甲醇的反应历程如图所示（CO、CH₂O 为可能的副产物）。下列说法正确的是（　　） A．合成甲醇的反应为放热反应 B．生成 CO 的反应活化能为 0.95 eV C．副产物有 CO、CH₂O，其中 CH₂O 相对较多 D．合成甲醇历程中速率较慢的是活化能最大的那一步 图11　CO₂ 加氢合成甲醇的反应历程 B组　能力提升 【作业 7】SO₂ 歧化反应的化学方程式为 3SO₂＋2H₂O=2H₂SO₄＋S↓，I⁻ 可作为水溶液中 SO₂ 歧化反应的催化剂，可能的催化过程如下：ⅰ. SO₂＋4I⁻＋4H⁺=S↓＋2I₂＋2H₂O；ⅱ. I₂＋2H₂O＋____=____＋____＋2I⁻。 (1) 将反应 ⅱ 补充完整：I₂＋2H₂O＋________＝________＋________＋2I⁻； (2) 探究 ⅰ、ⅱ 反应速率与 SO₂ 歧化速率的关系，分别将 18 mL SO₂ 饱和溶液加入 2 mL 下列试剂中，密闭观察（已知 I₂ 易溶于 KI 溶液）： 序号 A B C D 试剂组成 0.4 mol·L⁻¹ KI a mol·L⁻¹ KI、0.2 mol·L⁻¹ H₂SO₄ 0.2 mol·L⁻¹ H₂SO₄ 0.2 mol·L⁻¹ KI、0.000 2 mol I₂ 实验现象 变黄，一段时间后浑浊 变黄，浑浊较 A 快 无明显现象 棕褐色很快褪色变黄，浑浊较 A 快 ① B 是 A 的对比实验，则 a＝________； ② 比较 A、B、C，可得出的结论是________； ③ 实验表明 SO₂ 歧化速率 D＞A，结合 ⅰ、ⅱ 的反应速率解释原因：________。 【作业 8】某反应的速率方程为 v＝k·cᵐ(A)·cⁿ(B)，其半衰期（剩余反应物恰为起始一半所需时间）为一定值。改变反应物浓度时，反应的瞬时速率如下表： A．速率方程中 m＝1、n＝1 B．该反应的速率常数 k＝5.6×10⁻³ min⁻¹ C．增大反应物浓度时 k 增大，导致瞬时速率加快 D．在 B 过量时，反应掉 87.5% 的 A 所需时间为 375 min c(A)/mol·L⁻¹ c(B)/mol·L⁻¹ v/×10⁻³ mol·L⁻¹·min⁻¹ 0.25 0.050 1.4 0.50 0.050 2.8 1.00 0.050 5.6 0.50 0.100 2.8 【作业 9】汽车尾气中的 CO、NOₓ 是大气污染物，可用不同方法处理氮的氧化物。回答下列问题： (1) 已知：N₂(g)＋O₂(g)=2NO(g)　ΔH＝＋180 kJ·mol⁻¹；4NH₃(g)＋5O₂(g)=4NO(g)＋6H₂O(l)　ΔH＝−906 kJ·mol⁻¹。写出 NH₃ 将 NO 转化为无毒物质的热化学方程式：________； (2) 工业上除去 NO 的一种反应机理如图（V 表示催化剂表面的钒活性中心），该反应的化学方程式为________； 图12　NH₃ 在催化剂表面还原 NO 的反应机理 图13　不同催化剂上 NO 去除率随温度的变化 (3) 利用 H₂ 还原 NO：2H₂(g)＋2NO(g)⇌N₂(g)＋2H₂O(g)，速率方程为 v＝k·c^α(H₂)·c^β(NO)，根据不同浓度下的速率数据，可求得 α＝________、β＝________； (4) 在 C(s)＋2NO(g)⇌N₂(g)＋CO₂(g)中，分别用 C、CaO/C、La₂O₃/C 作催化剂（对应曲线 c、a、b）：① 490 ℃ 以下反应活化能最小的是________（用 a、b、c 表示）；② 490 ℃ 时，2 h 内 NO 的去除率为 45%，则 v(NO)＝________ mol·L⁻¹·h⁻¹（NO 起始浓度为 0.1 mol·L⁻¹）。 【作业 10】科学家研究甲醇与水蒸气重整制氢气时，得到甲醇在 Pd(Ⅲ)表面解离的路径与相对能量关系如图所示（附在 Pd 表面的物种用 * 标注）。下列说法错误的是（　　） A．过程②中包含 C—H 键的断裂过程 B．该历程中能垒（活化能）最小的是过程③ C．该反应的决速步骤为 CHO*＋3H*→CO*＋4H* D．由此历程可知 CH₃OH(g)→CO(g)＋2H₂(g)　ΔH＞0 图14　甲醇在 Pd 表面解离的路径与相对能量 学科网（北京）股份有限公司 $