2022年高中化学-2活化能催化剂学案

2.1.2活化能催化剂

核心素养目标

学习目标素养目标

1.了解有效碰撞理论。通过理解微观分子对反应速率的影响，培养

2.知道活化能的含义及其对化学反应速率的学生“宏观辨识和微观探析”的学科素养。

影响。通过有效碰撞理论，理解影响化学反应速率

3.了解催化剂在生产、生活和科学研究领域的因素，培养学生“证据推理与模型认知”

中的重大作用。的学科素养。

预习填空

1.活化能与简单碰撞理论

(1)基元反应发生的先决条件是反应物的分子必须发生碰撞。我们把能够发生化学反应的碰撞叫

做。发生有效碰撞的分子必须具有足够的能量，这种分子叫做。

(2)化学反应一般需要一个活化的过程，即能发生反应的分子，必须是先能量后形成活化分子。

(3)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

(4)解释化学反应的过程

2.利用碰撞理论解释外界条件对化学反应速率的影响

活化能大小主要是由决定的(改变外界条件也可以改变反应的活化能，如加入),即

反应物自身的性质影响着化学反应所需的活化能，从而影响化学反应速率的大小。例如：活化能小一普通

分子容易变成活化分子一活化分子百分数大一单位体积内活化分子数多一单位时间、单位体积内有效碰撞

次数多一化学反应速率大(内因对化学反应速率的影响)。

知识点精讲

知识点一基元反应

【知识点梳理】

1.基元反应

大多数的化学反应不能一步完成，在微观上是分几步完成的，每一步反应都叫一个基元反应。

-+

如反应：H202+2Br+2H=Br2+2H20,通过大量实验提出它们微观过程如下：

+

(l)H+H202=H30^；

(2)乩0：+Br-=H2+H0Br；

+-

(3)HOBr+H+Br=H20+Br2o

2.基元反应过渡状态理论

基元反应过渡状态理论认为，基元反应在从反应物到生成物的变化过程中要经历一个中间状态，这个

状态称为过渡态。

AB+C—►[A…B…C]―>A+BC

反应物过渡态生成物

过渡态是处在反应过程中具有最高能量的一种分子构型，过渡态能量与反应物的平均能量的差值相当

于活化能[活化能(能垒)越高，此步基元反应速率越慢]。例如，一漠甲烷与NaOH溶液反应的过程可以表

--

示为CH：fBr+OH-►[Br-CH3-OH]—►Br+CH：!OII

一溟甲烷与NaOH溶液反应机理示意图

【典型例题】

1.已知反应2NO(g)+2H?(g)uiN2(g)+2HQ(g)△4一752kJ•mol"的反应机理如下:

①2N0(g)(快)

®N202(g)+H2(g)=^Q(g)+H20(g)(慢)

③项⑷+上④^=iN2(g)+H2O(g)(快)

下列有关说法错误的是()

A.①的逆反应速率大于②的正反应速率

B.②中N2O2与上的碰撞仅部分有效

C.NQz和20是该反应的催化剂

D.总反应中逆反应的活化能比正反应的活化能大

2.已知反应：2NO(g)+Bn(g)==2N0Br(g)△〃=—akJ•mol1(a>0),其反应机理如下：

①NO(g)+Bn(g)=^NOBrz(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.NOBn是该反应的催化剂

C.增大Bn(g)浓度能增大活化分子百分数，加快反应速率

D.正反应的活化能比逆反应的活化能小akJ-mol'

知识点二有效碰撞与活化能

【知识点梳理】

1.有效碰撞与活化能

(1)反应历程及反应机理

2Hl=Hz+L的反应历程如下：2HI-L+2I•21•-L其中每一步反应称为基元反应。

02/11

(2)有效碰撞

①定义：能够发生化学反应的碰撞叫有效碰撞。

②条件：反应物分子具有较高的能量和碰撞时有合适的取向。

(3)活化分子：能够发生有效碰撞的分子。活化分子的能量较高。

(4)活化能

①定义：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。活化能越

小，反应速率越大。

②示意图

「E,表示反应的活化能

E2表示活化分子变成生成物

分子放出的能量或逆反应活

化能

'表示反应热

2.理论解释影响反应速率的外界因素

(1)浓度：其他条件相同，反应物浓度增大，单位体积内活化分子数增多，单位时间内有效碰撞的次

数增加，反应速率增大。

(2)温度：其他条件相同时，升高温度，增加了反应物分子中活化分子百分数，单位时间内有效碰撞

的次数增加，反应速率增大。

(3)压强：其他条件相同时，增大压强，反应物浓度增大，反应速率增大。

(4)催化剂

①催化剂改变反应历程、活化能的示意图

「催化剂参与化学反应，改变

反应历程

催化剂降低反应活化能

、催化剂不改变反应的熔变

②使用催化剂，活化能降低，活化分子百分数增大,单位体积内活化分子数增大,反应速率增大。

【思维建模】活化分子、有效碰撞与反应速率的关系

(1)固体或纯液体物质量的改变，不影响化学反应速率。

(2)稀有气体对有气体参与的反应速率的影响

①恒温恒压

恒温、恒

压充入He〃不变，V变大，c\

减小，速率减小］

②恒温恒容

恒温、

恒容充入Hea：n、v均不变，。不变,

"；速率不变

【典型例题】

1.下列说法正确的是（）

A.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多

B.有气体参加的化学反应，若增大压强（即缩小反应容器的容积），可增大活化分子的百分数，从而

使反应速率增大

C.升高温度能使化学反应速率增大的主要原因是减小了反应物分子中活化分子的百分数

D.催化剂能增大单位体积内活化分子的百分数，从而成千上万倍地增大反应速率

2,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，而且温度对其反应速率几乎没有影

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化学反应速率的

C.人们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，也会对化学反应前后的能量变化产生影

响

3.我们把能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞；发生有效碰撞的分子必须具有足够的能量，这种分子

叫做活化分子；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。下列说

法不正确的是（）

能量

(kJ,mol-1)

反应过程

图甲

A.图甲中曲线H可以表示催化剂降低了反应的活化能

B.图乙中HI分子发生了有效碰撞

C.盐酸和氢氧化钠溶液的反应活化能接近于零

D.增大反应物浓度，单位体积内活化分子数增多，单位时间内有效碰撞次数增加

04/11

知识点三催化剂的催化反应机理

【知识点梳理】

1.催化剂具有的三大特征

催化剂是通过降低反应活化能，从而改变了反应的途径，此即催化剂加速化学反应的主要原因所在。

总结起来，催化剂的特征主要表现在这样几个方面：

第一，催化剂可以改变反应速率，但其自身在反应前后的组成、质量和化学性质不变。

第二，催化剂不改变化学平衡。即催化剂既能加快正向反应的速率，也能加快逆向反应的速率，从而

缩短化学反应达到平衡的时间。

第三，催化剂具有特殊的选择性，不同类型的反应，需要选择不同的催化剂。同一种反应物，使用不

同的催化剂，可以得到不同的产物。

2.认识催化剂的四大误区

实际上，催化剂不是不参加化学反应，而是在化学反应前后，催化

剂的化学性质基本不变。例如在铜催化乙醇生成乙醛的反应中，铜

参与反应的原理如下：

催化剂不参加化

误区1第一步为2CU+O2=2CUO,

学反应

第二步为CuO+CHEHaOH-Cu+CUCHO+HzO,这两步反应方程式的

加和为02+2CH3cHzOH-C%CHO+2H显然催化剂参与了化学反

应

实际上一个反应可以有多种催化剂，只是我们常选用催化效率高

一种反应只有一

误区2的，对环境污染小，成本低的催化剂，如双氧水分解的催化剂可以

种催化剂

是二氧化镐，也可以是氯化铁，当然还可以是硫酸铜等

催化剂都是加快实际上，催化剂有正催化剂与负催化剂，正催化剂加快化学反应速

误区3

化学反应速率率，负催化剂是减慢化学反应速率的

实际上，催化剂参与了化学反应，是第一反应物。既然是反应物，

催化剂的效率与催化剂的表面积，催化剂的浓度大小必然影响化学反应速率。比如

误区4

催化剂的量无关用酵母催化剂做食品，酵母量大自然面就膨大快。催化剂的用量是

会改变催化效率的

3.探究僧昌化剂的催化机理

从催化剂的组成入手，结合常见化学反应，探究相关催化剂的催化机理。

(1)金属单质催化剂

金属催化剂是一类重要的工业催化剂，主要包括块状催化剂，分散或者负载型的金属催化剂。几乎所

有的金属催化剂都是过渡金属，这与金属的结构、表面化学键有关。

乙醇在氧气环境下加热(250℃〜350℃),以金属单质铜作为催化剂，可以收集获得产物乙醛这一反

应，其反应方程式如下：2cH3cH20H+0z-^2CH3CH0+2HQ

在有充足氧气的条件下，由于乙醉结构中。碳上的氢较为活泼，铜(Cu)与氧气(0J加热条件下得到的

弱氧化剂氧化铜(CuO)可以将其转化成醛:

Cu-^->CuO

O—HO-HH：

I：：

CH3-C^I+CupCH3-C-nOH：+Cu

HH

O-i-IIO

II

CH3—C-j-OHCH3—c+H2O

IIII

(2)酸催化剂

酸催化剂催化是指催化剂与反应物分子之间，通过给出质子或接受电子对作用，形成活泼的正碳离子

中间化合物(活化的主要方式)，继而分解为产物的催化过程。中学阶段接触最多的酸催化剂是稀硫酸和浓

硫酸。

乙醇(CH3CH20H)和乙酸(CHaCOOH)在加热的条件下生成乙酸乙酯，反应催化剂是浓硫酸，具体反应方程

式为

QhCOOH+CzHsOH吸,CH3COOGH5+H2O

催化剂浓硫酸主要有两方面作用，一方面，浓硫酸质子化皴基，加强了皴基碳的缺电子性，促使乙醇

作为亲核试剂进攻，形成四面体过渡态:

PH-

o

1H

人O,

浓硫酸的另一个作用是具有吸水性，吸收反应中的生成物水，使得反应向正向推进。

【方法技巧】

催化反应机理的分析

;I第一1步;］~~i__分_析反_应_目_的_：反_应_物和_目_标_产物_分_清__

［笫二步］-f及冠五加京应百雇而上应加笳i应访

znz二二二二二二二二二二二二二二二二二二二

dzi;综合分析所有反应历程,确定总反应的反应物、：

〔第三步J―i生成物、中间物质，循环物质等

【典型例题】

1.2分子在催化剂的作用下发生的一系列转化如图所示。下列叙述正确的是()

06/11

催化剂a催化剂b

A.在反应过程中作催化剂

B.催化剂a表面发生了分解反应和化合反应

C.催化剂a、b增大了该历程中的最大能垒（活化能）

D.催化剂b表面发生的反应为4NH3+50?他堂强4NO+6HzO

2.某科研人员提出HCH0与6在羟基磷灰石（HAP）表面催化氧化生成CO,、HQ的历程，该历程如图所示（图

中只画出了HAP的部分结构，用力标记羟基磷灰石中的羟基氧原子）。下列说法正确的是（）

A.反应物的键能之和大于生成物的键能之和

B.HAP改变了该反应的历程和熔变，加快了反应速率

C.经过该催化氧化过程后，80仍然在HAP中

D.HAP降低了反应的活化能，提高活化分子百分数

3.ShyamKattle等结合实验与计算机模拟结果，研究了在Pt/SiO?催化剂表面上CO?与H?的反应历程，前

三步历程如图所示，吸附在Pt/SiOz催化剂表面上的物种用“•”标注，Ts表示过渡态。下列有关说法错

误的是（）

®

s

能ht/eV^=

++

0.5H3

x0

0.()o-£

-+

H+

—0.5+03

o-=

-1.0^++

_00

-1.5\对)

.

2.1-

2.<>5

A.物质被吸附在催化剂表面形成过渡态的过程是吸热的

B.形成过渡态Tsi的活化能为1.05eV

C.前三步总反应的A//<0

77

D.反应历程中能量变化最大的反应方程式为-II0C0+-Il2（g）=-C0+•0H+-H2（g）

本课小结

微观因素变化

化学

分子平单位体积反应

条件变化分子活化分子活化分有效

均运动内活化分速率

总数百分数子数目碰撞

速率子数目变化

浓度增大增加不变增加不变增加增加加快

压强增大不变不变不变不变增加增加加快

温度升高不变增加增加增加增加增加加快

催化剂使用不变增加增加不变增加增加加快

随堂练习

1.下列有关有效碰撞的说法不正确的是()

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.只要条件合适,普通分子之间的碰撞也可能是有效碰撞

D.活化分子间的碰撞不一定是有效碰撞

2.己知反应(aq)+2F(aq)=2S0F(aq)+k(aq),若往该溶液中加入含Fe”的某溶液，反应机理如

下:

①2Fe”(aq)+2I(aq)=^l2(aq)+2Fe>(aq)

2

②2Fe"(aq)+S208(aq)=2Fe"(aq)+2SO-(aq)

下列有关该反应的说法不正确的是()

A.增大S2O上的浓度，反应②的反应速率加快

B.Fe"是该反应的催化剂

C.该反应是放热反应

D.Fe"降低了该反应的活化能，也减小了该反应的焰变

3.我国科研人员提出了由C02和CH,转化为高附加值产品CH£OOH的催化反应历程。该历程示意图如下。

下列说法不正确的是(

A.生成CHBCOOH总反应的原子利用率为100%

B.CH」fCH£00H过程中，有C—H发生断裂

08/11

C.①f②放出能量并形成了c-c

D.该催化剂可有效提高反应物的平衡转化率

4.我们把能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞；发生有效碰撞的分子必须具有足够的能量，这种分子

叫做活化分子；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。下

列说法不正确的是（

图乙

A.图甲中曲线n可以表示催化剂降低了反应的活化能

B.图乙中HI分子发生了有效碰撞

C.盐酸和氢氧化钠溶液的反应活化能接近于零

D.增大反应物浓度，单位体积内活化分子数增多，单位时间内有效碰撞次数增加

5.在化学反应中，能引发化学反应的分子间的碰撞称之为有效碰撞，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能量叫活化能，其单位用kJ•moL表示。请认真观察下图,然后回答

问题。

能量(kJ-molT)

活化分子的

最低能量

反应物的

总能量（EJ

生成物的

总能量（4）

（1）图中反应是（填“吸热”或“放热”）反应，该反应（填“需要”或“不需要”）

环境先提供能量，该反应的A/A（用含笈、氏的代数式表示）。?

1

⑵已知:Hz(g)+七z(g)=H2O(g)△层-241.8kJ•moll该反应的活化能为167.2kJ•mol-.

则其逆反应的活化能为。？

（3）对于同一反应，图中虚线（II）与实线（I）相比，活化能（填“升高”“降低”或“不

变”），对反应热是否有影响?,原因是o?

6.“接触法制硫酸”的主要反应是2so2+O2?2s在催化剂表面的反应历程如下：

O0、OO

s°厂、/Y\(D/Y\

OO+SO3