資源簡介

2.1 第2課時 影響化學反應速率的因素　活化能
【學習目標】
1.通過實驗探究,了解濃度、壓強、溫度、催化劑等因素對化學反應速率的影響。
2.知道化學反應是有歷程的,了解活化能的含義及應用。
3.建立碰撞理論認知模型,并能運用碰撞理論解釋濃度、壓強、溫度、催化劑對化學反應速率產生的影響。
【自主預習】
一、影響化學反應速率的因素
1.內因
在相同條件下,不同的化學反應的反應速率首先是由　　　的組成、結構和性質等因素決定的。
2.外界因素
二、有效碰撞理論
1.有效碰撞理論
(1)基元反應:大多數的化學反應往往經過多個反應步驟才能實現。其中每一步反應都稱為　　　　。例如H·+O2·OH+O·即為氫氣與氧氣生成水的反應中的一個基元反應;又如2HIH2+I2的2個基元反應為2HIH2+2I·、2I·I2。
(2)反應歷程
①含義:基元反應構成的反應　　　　。
②特點:a.反應不同,反應　　　　不相同。
b.同一反應,在不同條件下的反應歷程也可能不同。
③決定因素:反應歷程由反應物的　　　　和反應　　　　決定。
④作用:反應歷程的差別造成了化學反應　　　　的不同。
(3)基元反應發生的先決條件
基元反應發生的先決條件是反應物的分子必須發生　　　　,但是并不是每一次分子碰撞都能發生　　　　　　　　。
(4)有效碰撞
(5)活化分子和活化能
①活化分子:能夠發生　　　　　　　　的分子。
對于某一化學反應來說,在一定條件下,反應物分子中活化分子的百分數是一定的。
②活化能:活化分子具有的平均能量與反應物分子具有的平均能量　　　　,叫作反應的活化能。
(6)反應物、生成物的能量與活化能的關系圖
2.有效碰撞理論對影響化學反應速率因素的解釋
(1)濃度 (2)壓強
反應物濃度增大 → 反應物中活化分子百分數　　 → 單位體積內分子總數　　 → 活化分子總數　　　 → 單位時間內有效碰撞次數　　　 → 反應速率　　　;反之,反應速率　　　。 增大壓強(壓縮體積) → 反應物中活化分子百分數　　　 → 單位體積內活化分子總數　　　 → 單位時間內有效碰撞次數　　　 → 反應速率　　　;反之,反應速率　　　。
(3)溫度 (4)催化劑
升高溫度 → 活化分子百分數　　 → 單位體積內分子總數　　　 → 活化分子總數　　　 → 單位時間內有效碰撞次數　　　 → 反應速率　　　;反之,反應速率　　　。 加入催化劑 → 活化分子百分數　　　 → 單位體積內活化分子總數　　　 → 單位時間內有效碰撞次數　　　 → 反應速率　　　;反之,反應速率　　　。
【參考答案】一、1.反應物　2.增大　減小　增大　減小　增大　減小　增大　相同
二、1.(1)基元反應　(2)①序列　②歷程
③結構　條件　④速率　(3)碰撞　化學反應　(4)越大　(5)①有效碰撞　②之差　(6)活化能　能量　逆反應　反應熱
2.(1)不變　增多　增多　增多　增大　減小
(2)不變　增多　增多　增大　減小
(3)增大　不變　增多　增多　增大　減小
(4)增大　增多　增多　增大　減小
【效果檢測】
1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。
(1)恒溫時,增大壓強,化學反應速率一定增大。 (　　)
(2)其他條件不變,溫度越高,化學反應速率越大。 (　　)
(3)對于由多個基元反應組成的化學反應,其反應的快慢由最慢的一步基元反應決定。 (　　)
(4)使用催化劑可改變反應速率,從而改變該反應過程中吸收或放出的熱量。 (　　)
(5)活化分子之間發生的碰撞一定為有效碰撞。 (　　)
(6)化學反應速率與反應歷程有關,相同的反應,條件不同反應歷程不同,化學反應速率也不同。 (　　)
(7)升高溫度能使化學反應速率增大,主要原因是增大了反應物分子中活化分子的百分數。 (　　)
(8)有氣體參加的化學反應,若增大壓強(即縮小反應容器的體積),可增加活化分子的百分數,從而使反應速率增大。 (　　)
【答案】(1) ×　(2) √　 (3) √　(4)×　(5)×　 (6) √　 (7) √　　(8) ×
2.增大濃度或改變壓強能增大活化分子百分數嗎
【答案】不能。
3.活化分子的碰撞一定是有效碰撞嗎
【答案】活化分子的碰撞不一定都是有效碰撞。活化分子數越多,有效碰撞次數就越多,化學反應速率就越快,單位體積內活化分子數與單位體積內反應物分子總數成正比。
【合作探究】
任務1：影響化學反應速率的因素
情境導入　隨著人們生活水平的提高,國家家電下鄉政策的落實,冰箱、冰柜已進入千家萬戶。
在28 ℃時,鮮牛奶4小時后變質,但在冰箱中,鮮牛奶48小時后變質,這說明了什么
【實驗探究】
1.實驗探究濃度對反應速率的影響
實驗原理 Na2S2O3+H2SO4Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O
實驗步驟
實驗現象 兩支試管中的溶液　　　　　　,滴加　　　　mol·L-1 H2SO4溶液的試管　　　　　　
實驗結論 其他條件相同時,增大反應物濃度,化學反應速率　　　
2.壓強對化學反應速率的影響
(1)研究對象——氣體模型的理解
對于氣體來說,在一定溫度下,一定質量的氣體所占的體積與壓強成反比。如圖所示:
由圖可知,其他條件不變時,增大壓強,氣體體積縮小,濃度　　　　。
(2)影響規律
對于有氣體參加的化學反應,在相同溫度下,增大壓強(減小容器體積),反應速率　　　　;減小壓強(增大容器體積),反應速率　　　　。
3.探究溫度對反應速率的影響
實驗原理 Na2S2O3+H2SO4 Na2SO4+SO2↑+S↓+H2O
實驗步驟
實驗現象 兩支試管中的溶液　　　　　　,燒杯中裝　　　　的試管　　　　
實驗結論 其他條件相同時,升高溫度,化學反應速率　　　
4.探究催化劑對反應速率的影響
實驗原理 2H2O22H2O+O2↑
實驗步驟
實驗現象 余燼　　　　　　　 余燼
實驗結論 催化劑可以　　　　化學反應速率
　　【答案】1.均變渾濁　0.5　先變渾濁　增大
2.(1)增大　(2)增大　減小
3.均變渾濁　熱水　先變渾濁　增大
4.沒有復燃　復燃　改變
【核心歸納】
1.壓強對化學反應速率影響的幾種情況
改變壓強,影響化學反應速率的根本原因是引起了濃度的改變。所以在討論時,應注意引起壓強改變的原因。
(1)對于沒有氣體參與的化學反應,由于改變壓強時反應物濃度變化很小,可忽略不計,因此對化學反應速率無影響。
(2)對于有氣體參與的化學反應,有以下幾種情況:
①恒溫時,壓縮體積壓強增大反應物濃度增大化學反應速率加快。
②恒溫時,對于恒容密閉容器:
a.充入氣體反應物氣體反應物濃度增大(壓強也增大)化學反應速率加快。
b.充入“惰性氣體”總壓強增大反應物濃度未改變化學反應速率不變。
③恒溫恒壓時
充入“惰性氣體”體積增大氣體反應物濃度減小化學反應速率減小。
2.溫度對反應速率的影響
升高溫度,v正、v逆都增大;降低溫度,v正、v逆都減小。
3.催化劑的作用
(1)催化劑只能改變化學反應速率,不能使原來不能發生的反應得以進行。
(2)催化劑一般有選擇性,不同的化學反應要選用不同的催化劑。同樣的反應物選用不同的催化劑,可以發生不同的反應,從而得到不同的產物。
【典型例題】
【例1】以反應5H2C2O4+2Mn+6H+10CO2↑+2Mn2++8H2O為例探究外界條件對化學反應速率的影響。實驗時,分別量取H2C2O4溶液和酸性KMnO4溶液,迅速混合并開始計時,通過測定溶液褪色所需時間來判斷反應的快慢。下列說法不正確的是(　　)。
編號 H2C2O4溶液 酸性KMnO4溶液 溫度/℃
濃度/mol·L-1 體積/mL 濃度/mol·L-1 體積/mL
① 0.10 2.0 0.010 4.0 25
② 0.20 2.0 0.010 4.0 25
③ 0.20 2.0 0.010 4.0 50
A.實驗①②③所加的H2C2O4溶液均要過量
B.實驗①和實驗②是探究濃度對化學反應速率的影響,實驗②和③是探究溫度對化學反應速率的影響
C.實驗①和②起初反應均很慢,過了一會兒速率突然增大,可能是生成的Mn2+對反應起催化作用
D.若實驗①測得KMnO4溶液的褪色時間為40s,則這段時間內平均反應速率v(KMnO4)=2.5×10-4 mol·L-1·s-1
【答案】D
【解析】由實驗數據分析可知,在這三個實驗中,所加H2C2O4溶液均過量,A項正確。分析表中數據可知,實驗①和實驗②只是濃度不同,即實驗①和實驗②是探究濃度對化學反應速率的影響;實驗②和③只是溫度不同,所以實驗②和③是探究溫度對化學反應速率的影響,B項正確。在其他條件都相同時,開始速率很小,過一會兒速率突然增大,說明反應生成了具有催化作用的物質,可能起催化作用的是Mn2+,C項正確;高錳酸鉀完全反應,混合后溶液中高錳酸鉀的濃度為=×0.010mol·L-1,v(KMnO4)=≈1.7×10-4 mol·L-1·s-1,D項錯誤。
方法技巧：“控制變量法”探究影響化學反應速率的因素
1.確定變量:解答這類題目時首先要認真審題,理清影響實驗探究結果的因素有哪些。
2.定多變一:在探究時,應該先確定其他的因素不變,只變化一種因素,看這種因素與探究的問題存在怎樣的關系;這樣確定一種以后,再確定另一種,通過分析每種因素與所探究問題之間的關系,得出所有影響因素與所探究問題之間的關系。
3.數據有效:解答時注意選擇數據(或設計實驗)要有效,且變量統一,否則無法做出正確判斷。
任務2：活化能
情境導入　2 mol H2和1 mol O2混合于一個潔凈的容器內,已知常溫常壓下,每個氫分子和氧分子自身或它們之間每秒鐘平均碰撞2.355×1010次,如果每一次碰撞都能引發反應,整個容器中的氫氣和氧氣將在極短的時間內全部變成水。然而事實并非如此,為什么呢
問題生成
1.化學反應都是一步完成的嗎
【答案】不是。
2.對于由多個基元反應組成的化學反應,其反應的快慢是由哪步反應決定的
【答案】由最慢的一步基元反應決定。
3.反應歷程與化學反應速率有什么關系
【答案】一個化學反應的快慢取決于反應歷程中反應速率最慢的基元反應。反應物的結構和反應條件決定著一個反應的歷程,而反應歷程的差別又造成了化學反應速率的不同。
4.活化分子數改變,化學反應速率就一定發生了改變嗎
【答案】不一定。如恒壓條件下:2HI(g)H2(g)+I2(g),若增加HI的量,雖然活化分子數增多,但體積增大,各物質的濃度不變,反應速率不變。
【核心歸納】
1.基元反應經歷的過程
2.活化分子、有效碰撞與反應速率的關系
【典型例題】
【例2】下列有關活化分子的說法正確的是(　　)。
A.增大反應物濃度可以提高活化分子百分數
B.增大體系的壓強一定能提高活化分子百分數
C.使用合適的催化劑可以增大活化分子的能量
D.升高溫度能提高活化分子百分數
【答案】D
【解析】升高溫度、加入催化劑能提高活化分子百分數,且加入催化劑可降低反應的活化能;增加反應物濃度,增大體系壓強只增大單位體積活化分子的數目,百分數不變。
【例3】在體積可變的容器中發生反應N2+3H2 2NH3,當增大壓強使容器體積縮小時,化學反應速率增大,其主要原因是(　　)
A.分子運動速率增大,使反應物分子間的碰撞機會增多
B.反應物分子的能量增加,活化分子百分數增大,有效碰撞次數增多
C.活化分子百分數未變,但單位體積內活化分子數增加,有效碰撞次數增多
D.分子間距離減小,使所有的活化分子間的碰撞都成為有效碰撞
【答案】C
【解析】A項,由于溫度不變,因此分子運動速率不變,錯誤;B項,由于溫度不變,因此反應物分子的能量不變,錯誤;D項,增大壓強使容器體積縮小時,單位體積內反應物濃度增大,單位體積內活化分子間的碰撞不一定都是有效碰撞,只有取向合適才能發生反應,才是有效碰撞,錯誤。
方法技巧：外界條件對化學反應速率的影響
外界條件 反應物濃度 氣體反應物的壓強 溫度 使用催化劑
增大 減小 增大 減小 升高 降低
活化能 不變 不變 不變 不變 不變 不變 降低
單位體積活化分子數 增多 減少 增多 減少 增多 減少 增多
活化分子百分數 不變 不變 不變 不變 增大 減小 增大
有效碰撞次數 增多 減少 增多 減少 增多 減少 增多
反應速率 增大 減小 增大 減小 增大 減小 增大
【隨堂檢測】
課堂基礎
1.中國首條“生態馬路”在上海復興路隧道建成,它運用了“光觸媒”技術,在路面涂上一種光催化劑涂料,可將汽車尾氣中45%的NO和CO轉化成N2和CO2。下列對此反應的敘述中正確的是(　　)。
A.使用光催化劑不改變反應速率
B.使用光催化劑降低了反應速率
C.升高溫度能增大反應速率
D.改變壓強對反應速率無影響
【答案】C
【解析】使用催化劑能加快反應速率,故A、B兩項均錯誤;D項,對于有氣體參加的化學反應,改變壓強能改變反應速率。
2.對于反應2NO(g)+2H2(g)N2(g)+2H2O(g),科學家根據光譜學研究提出如下反應歷程:
第一步:2NON2O2　快速平衡
第二步:N2O2+H2N2O+H2O　慢反應
第三步:N2O+H2N2+H2O　快反應
其中可近似認為第二步反應不影響第一步的平衡。下列敘述正確的是(　　)。
A.若第一步反應ΔH<0,則升高溫度,v正減小,v逆增大
B.第二步反應的活化能大于第三步反應的活化能
C.第三步反應中N2O與H2的每一次碰撞都是有效碰撞
D.反應的中間產物只有N2O2
【答案】B
【解析】不管ΔH<0,還是ΔH>0,升高溫度,v正和v逆均增大,A項錯誤。第二步反應為慢反應,第三步反應為快反應,則第二步反應的活化能大于第三步反應的活化能,B項正確。根據有效碰撞理論可知,任何化學反應的發生都需要有效碰撞,但每一次碰撞不一定都是有效碰撞,C項錯誤。反應的中間產物有N2O2和N2O,D項錯誤。
3.某同學在實驗室研究化學反應快慢的影響因素。
(1)研究催化劑對化學反應快慢的影響,實驗步驟如下:
Ⅰ.向3支大小相同的試管a、b、c中各加入2 mL 5%H2O2溶液;
Ⅱ.向試管a中加入少量MnO2粉末,向試管b中滴加1~2滴1 mol·L-1FeCl3溶液。實驗后,得出結論:MnO2與FeCl3均能加快H2O2的分解,且前者的催化效率更高。
①步驟Ⅰ中分別向3支試管中加入相同體積的溶液的目的是　　　　　　　　　　　。
②設計試管c的目的是　　　　　　　　　　　。
③若繼續用上述實驗藥品研究溫度對H2O2分解快慢的影響,為了便于觀察,選擇的催化劑是　　　　　　　;原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　。
(2)現提供下列實驗用品,研究化學反應快慢的影響因素。實驗儀器:試管、燒杯、量筒、天平、秒表、酒精燈;實驗藥品:鋁片、鋁粉、0.5 mol·L-1鹽酸、5 mol·L-1鹽酸、蒸餾水。
①利用所提供實驗用品,可研究的化學反應快慢的影響因素有溫度、　　　　　　(寫兩個),通過　　　　　　(實驗現象)判斷反應的快慢。
②設計實驗探究溫度對化學反應快慢的影響,寫出實驗步驟(實驗儀器和藥品任選): 　 。
【答案】(1)①控制變量　②作空白對照實驗　③FeCl3溶液
FeCl3作催化劑,反應快慢適中,有利于觀察反應進行的快慢
(2)①鹽酸的濃度、鋁的表面積　氣泡產生的快慢　②在2支相同的試管中各裝入質量和表面積均相同的鋁片,再分別加入相同濃度、相同體積鹽酸,將其中一支試管浸入盛有熱水的燒杯中,另一支試管置于室溫下,觀察氣泡產生的快慢
【解析】(1)①第Ⅰ步中3支試管中加入相同量的H2O2溶液,作為相同條件以便于后面實驗的可靠性,即目的是控制變量。②c中不加入其他試劑用來與前兩支試管作比較,作用是作空白對照實驗。③MnO2作催化劑,反應激烈,不適合觀察反應速率,選擇FeCl3作催化劑,原因是FeCl3作催化劑,反應快慢適中,有利于觀察反應進行的快慢。
對接高考
4.(2022·湖南卷,12)反應物(S)轉化為產物(P或P·Z)的能量與反應進程的關系如下圖所示:
下列有關四種不同反應進程的說法正確的是(　　)。
A.進程Ⅰ是放熱反應
B.平衡時P的產率:Ⅱ>Ⅰ
C.生成P的速率:Ⅲ>Ⅱ
D.進程Ⅳ中,Z沒有催化作用
【答案】AD
【解析】A項,由圖中信息可知,進程Ⅰ中S的總能量大于產物P的總能量,因此進程Ⅰ是放熱反應,正確;B項,進程Ⅱ中使用了催化劑X,但是催化劑不能改變產率,因此在兩個進程中平衡時P的產率相同,不正確;C項,進程Ⅲ中由S·Y轉化為P·Y的活化能高于進程Ⅱ中由S·X轉化為P·X的活化能,由于這兩步反應分別是兩個進程的決速步驟,因此生成P的速率為Ⅲ<Ⅱ,不正確;D項,由圖中信息可知,進程Ⅳ中S吸附到Z表面生成S·Z,然后S·Z轉化為產物P·Z,由于P·Z沒有轉化為P+Z,因此,Z沒有表現出催化作用,正確。
5.(2023·浙江1月選考,14)標準狀態下,氣態反應物和生成物的相對能量與反應歷程示意圖如下[已知O2(g)和Cl2(g)的相對能量為0],下列說法不正確的是(　　)。
A.E6-E3=E5-E2
B.可計算鍵能為2(E2-E3)kJ·mol-1
C.相同條件下,O3的平衡轉化率:歷程Ⅱ>歷程Ⅰ
D.歷程Ⅰ、歷程Ⅱ中速率最快的一步反應的熱化學方程式為ClO(g)+O(g)O2(g)+Cl(g)　ΔH=(E5-E4)kJ·mol-1
【答案】C
【解析】對比兩個歷程可知,歷程Ⅱ中增加了催化劑,降低了反應的活化能,增大了反應速率。A項,催化劑能降低活化能,但是不能改變反應的焓變,因此E6-E3=E5-E2,正確;B項,已知Cl2(g)的相對能量為0,對比兩個歷程可知,Cl(g)的相對能量為(E2-E3)kJ·mol-1,則鍵能為2(E2-E3)kJ·mol-1,正確;C項,催化劑不能改變反應的平衡轉化率,因此相同條件下,O3的平衡轉化率:歷程Ⅱ=歷程Ⅰ,錯誤;D項,活化能越低,反應速率越大,由圖像可知,歷程Ⅱ中第二步反應的活化能最低,所以速率最大的一步反應的熱化學方程式為ClO(g)+O(g)O2(g)+Cl(g)　ΔH=(E5-E4)kJ·mol-1,正確。
6.(2022·廣東卷,15)在相同條件下研究催化劑Ⅰ、Ⅱ對反應X2Y 的影響,各物質濃度c隨反應時間t的部分變化曲線如圖,則(　　)。
A.無催化劑時,反應不能進行
B.與催化劑Ⅰ相比,Ⅱ使反應活化能更低
C.a曲線表示使用催化劑Ⅱ時X的濃度隨t的變化
D.使用催化劑Ⅰ時,0~2 min內,v(X)=1.0 mol·L-1·min-1
【答案】D
【解析】A項,由圖可知,無催化劑時,隨反應進行,生成物濃度也在增加,說明反應也在進行,錯誤;B項,由圖可知,催化劑Ⅰ比催化劑Ⅱ催化效果好,說明催化劑Ⅰ使反應活化能更低,反應更快,錯誤;C項,由圖可知,使用催化劑Ⅱ時,在0~2 min內Y的濃度變化了2.0 mol·L-1,而a曲線表示的X的濃度變化了2.0 mol·L-1,二者變化量之比不等于化學計量數之比,所以a曲線不表示使用催化劑Ⅱ時X濃度隨時間t的變化,錯誤;D項,使用催化劑Ⅰ時,在0~2 min內,Y的濃度變化了4.0 mol·L-1,則v (Y)===2.0 mol·L-1·min-1,v (X)=v (Y)=× 2.0 mol·L-1·min-1=1.0 mol·L-1·min-1,正確。
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