資源簡介

第一節 化學反應速率
第3課時 活化能
教學目標
1.知道化學反應是有歷程的，認識基元反應活化能對化學反應速率的影響。
2.能用有效碰撞理論模型說明外界條件改變對化學反應速率的影響。
教學重難點
能用有效碰撞理論模型說明外界條件改變對化學反應速率的影響。
教學過程
【新課導入】
我們知道物質是由微觀粒子構成的，微粒在做無規則運動，運動中就會發生碰撞，碰撞就有可能發生化學反應，那么改變外界條件，為什么能改變反應速率呢？今天，我們從微觀角度分析一下，外界條件是如何改變反應速率的。
【如有需要可插入動畫】
【新知講解】
【閱讀理解】閱讀教材p25、26、27活化能的內容。
【交流討論】
1.化學反應的實質是什么？
2.是否所有的碰撞都能使舊鍵斷裂新鍵形成？
3.如何理解反應機理、有效碰撞、活化分子、活化能？
【講解】化學反應的實質就是舊化學鍵的斷裂和新化學鍵形成的過程，而舊鍵的斷裂和新鍵的形成必須通過反應物分子（離子）的相互接觸，相互碰撞來實現的。研究發現大多數反應并不是通過簡單碰撞就能完成的，往往通過多個反應步驟才能實現，每一個反應步驟稱為基元反應，基元反應反映了反應歷程，反應歷程又稱反應機理。例如碘化氫分解的反應機理為:
2HI → H2 + 2I
2I → I2
一、化學反應的碰撞理論
1.反應機理
基元反應反映了反應歷程，反應歷程又稱反應機理。
【過渡】通過閱讀課本，我們知道要發生基元反應必須發生分子的碰撞，而氣體分子間的碰撞是相當巨大的，可以達到每立方厘米，每秒內碰撞1028次，如果每次碰撞都能發生化學反應的話，反應只需105秒就能完成，也就是說，任何氣體反應都能在瞬間完成，而事實并非如此，說明每一次碰撞不一定發生化學反應，為什么會著這樣呢？我們以投籃為例說明。你的每一次投籃都能投入籃筐嗎？觀察圖片思考，想要投入籃筐，需要哪些條件呢？
【講解】想要投入籃筐，需要足夠的能量和合適的取向，化學反應也是如此。如果想要發生化學反應，氣體分子必須具有足夠的能量，碰撞時有合適的取向。
【如有需要可播放動畫】
【講解】能夠發生化學反應的碰撞叫做有效碰撞。在化學反應中，反應物分子必須具有一定的能量，碰撞時有合適的取向，才能使化學鍵發生斷裂，從而發生化學反應。發生有效碰撞的分子必須具有足夠的能量，這種分子叫活化分子?；罨肿泳哂械钠骄芰颗c反應物分子具有的平均能量之差稱為活化能。
如圖所示E1表示反應的活化能，E2表示活化分子變成生成物分子放出的能量，E1-E2表示反應熱。
2.有效碰撞：能夠發生化學反應的碰撞稱為有效碰撞。
3.活化分子：具有足夠能量能發生有效碰撞的分子。
4.活化能：具有的平均能量與反應物分子具有的平均能量之差稱為活化能。
【講解】從圖示可以看出，活化能的大小意味著一般分子成為活化分子的難易，但對反應熱并不產生任何影響。不同化學反應所需的活化能差別很大，溫度對某反應的速率影響程度，大致反映了該反應的活化能的大小。所以活化能低的反應，幾乎瞬間完成，如中和反應。而巖石的風化、溶洞的形成、礦物的形成，變化極慢，這是一些在自然條件下活化能較高的反應。
【總結】化學反應發生的條件：
普通分子吸收活化能變成活化分子，在合適取向下發生有效碰撞，形成新物質，并伴有能量變化。
【過渡】化學反應速率與分子間的有效碰撞幾率有關，有效碰撞幾率越大，反應速率越快。下面我們來研究一下，濃度、壓強、溫度、催化劑的變化是如何影響反應速率的。
【交流討論】，用有效碰撞理論解釋濃度、壓強、溫度、催化劑的變化是如何影響反應速率的？
二、用碰撞理論解釋外界條件對反應速率的影響
1.濃度對反應速率的影響
在其他條件不變時，增大反應物濃度，反應速率加快；減小反應物的濃度，反應速率減慢。
原因：當反應物濃度增大→單位體積內分子數增多→單位體積活化分子數增多(活化分子濃度增大)→單位時間內有效碰撞次數增多→化學反應速率加快。
【說明】對于純固體或純液體，其濃度可視為常數，因而其物質的量改變時不影響化學反應速率。固體物質的反應速率與接觸面積有關，固體顆粒越細，表面積越大，反應速率越快，故塊狀固體可以通過研細增大表面積，來加快反應速率。
2．壓強對化學反應速率影響
改變壓強，對化學反應速率的影響的根本原因是引起濃度改變。
原因：增大壓強→反應物濃度增大→單位體積內分子數增多→單位體積活化分子數增多(活化分子濃度增大)→單位時間內有效碰撞次數增多→化學反應速率加快。
在討論壓強對反應速率的影響時，應區分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→反應速率加快。
②恒溫時，恒容密閉容器：
充入“惰性氣體”→總壓強增大→反應物濃度未改變→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→ 反應速率減小。
3.溫度對化學反應速率的影響
溫度升高時，化學反應速率加快；溫度降低時，化學反應速率減小。
原因：其他條件相同時，升高溫度，反應物分子的能量增加，使一部分原來能量較低的分子變成活化分子，從而增加了反應物分子中活化分子的百分數，使單位時間內有效碰撞次數增加，因而使反應速率增大。
4.催化劑對化學反應速率的影響
加入催化劑可以改變反應的速率
原因：催化劑能改變反應的歷程，改變反應的活化能，如圖所示
有催化劑時每一次反應的活化能比無催化劑時反應的活化能降低了很多，從而使更多的反應物分子成為活化分子，增大了單位體積內反應物分子中活化分子的數目，從而增大了化學反應速率。
【總結】影響化學反應速率的外界條件
影響因素 單位體積內 有效碰撞次數 化學反應速率
分子總數 活化分子數 活化分子百分數
增大反應物濃度 增加 增加 不變 增加 增大
增大壓強 增加 增加 不變 增加 增大
升高溫度 不變 增加 增加 增加 增大
加催化劑 不變 增加 增加 增加 增大
【課堂練習】
1.反應C(s，石墨)＋H2O(g) CO(g)＋H2(g)在一可變容積的密閉容器中進行，下列條件的改變對其反應速率幾乎無影響的是(　C　)
A．用納米石墨代替普通石墨
B．將容器的容積縮小一半
C．保持容積不變，充入Ne使體系壓強增大
D．保持壓強不變，充入Ne使容器容積增大
解析：A．用納米石墨代替普通石墨，大大增加了石墨與H2O的接觸面，反應速率增大。B．將容器的容積縮小一半，c(H2O)、c(CO)、c(H2)都增大，反應速率增大。C．充入Ne而保持容器容積不變，c(H2O)、c(CO)、c(H2)都不變，反應速率不變。D．充入Ne而保持壓強不變，c(H2O)、c(CO)、c(H2)都減小，反應速率減小。
2.　下列敘述正確的是(　C　)
A．FeCl3和MnO2均可加快H2O2分解，同等條件下二者對H2O2分解速率的改變相同
B．其他條件不變，向稀H2SO4與過量Zn的混合物中加少量銅片，既能增大H2的生成速率，又能減小生成H2的物質的量
C．其他條件不變，加熱或加壓都能使H2(g)＋I2(g) 2HI(g)的v(正)和v(逆)同時增大
D．在實驗室中，將一塊除去氧化膜的鋁片放入一定濃度和體積的稀鹽酸中，反應過程中v(H2)一直逐漸減小
解析：FeCl3和MnO2對H2O2分解的催化性能不同，同等條件下它們對H2O2分解速率的改變不同，A項不正確。
2H＋＋Zn=H2↑＋Zn2＋，其他因素都不變，加入銅片后發生原電池反應，生成H2的速率增大，但物質的量不變，B項不正確。
H2(g)＋I2(g)? ?2HI(g)既是可逆反應，又是反應物和生成物中都有氣體的反應，其他條件不變，加熱或加壓都能使它的v(正)和v(逆)同時增大，C項正確。
在Al與H＋(aq)的反應過程中，c(H＋)逐漸減小，v(H2)逐漸減小；放出熱量使溶液溫度升高，v(H2)逐漸增大，結果大約是v(H2)先增大后減少，D項不正確。
3.某實驗探究小組研究340 K時N2O5的分解反應：2N2O5 4NO2＋O2。該小組同學根據表中的實驗數據繪制下圖。下列有關說法中正確的是(　C　)
t/min 0 1 2 3 4
c(N2O5)/mol·L－1 0.160 0.114 0.080 0.056 0.040
c(O2)/mol·L－1 0 0.023 0.040 0.052 0.060
A．曲線Ⅰ是N2O5的變化曲線
B．曲線Ⅱ是O2的變化曲線
C．N2O5的濃度逐漸減小，反應速率越小
D．O2的濃度逐漸增大，反應速率越大
解析：結合表中數據可知，曲線I、Ⅱ分別是O2、N2O5的變化曲線，A、B項錯誤；利用表中數據可以計算，無論用N2O5還是用O2表示的反應速率逐漸減小，而隨著反應的進行，N2O5的濃度逐漸減小，O2的濃度逐漸增大，故C項正確，D項錯誤。
4.某溫度時，在2 L密閉容器中X、Y、Z三種氣體物質的物質的量(n)隨時間(t)變化的曲線如圖所示。
(1)該反應的化學方程式為__X＋3Y 2Z___。
(2)反應開始至2 mim，用Z表示的平均反應速率為__0.05__mol·L－1·min－1___。
解析：(1)由圖可知，X、Y的物質的量減小，Z的物質的量增加，故X、Y為反應物，Z為生成物；X、Y、Z的化學計量數之比＝物質的量的變化量之比＝0.1 mol︰0.3 mol︰0.2 mol＝1︰3︰2；反應進行到2 min時，各物質的物質的量不再改變，故該反應為可逆反應，該反應的化學方程式為X＋3Y 2Z。(2)v(Z)＝＝0.05 mol·L－1·min－1。
【課堂小結】
【課堂檢測】
1．有氣體參加的反應中，能使反應物中活化分子數和活化分子百分數都增大的方法是(　D　)
①增大反應濃度?、谠龃髩簭姟、凵邷囟取、芗尤氪呋瘎?br/>A．①②③　　 B．②③④　　
C．①③④　　 D．③④
解析：①增大反應物的濃度和②增大壓強，只能增大單位體積內活化分子數，不能增大活化分子百分數；而③升高溫度和④加入催化劑即能增大活化分子數，又能增大活化分子百分數，故D項符合題意。
2．在恒容條件下，能使NO2(g)＋CO(g) CO2(g)＋NO(g)正反應速率增大且活化分子的百分數也增加的措施是(　D　)
A．增大NO2或CO的濃度
B．減小CO2或NO的濃度
C．通入Ne使氣體的壓強增大
D．升高反應的溫度
解析：增大NO2或CO的濃度，反應速率加快，活化分子數目增大，但活化分子的百分數不變，A錯誤；減小CO2或NO的濃度，反應速率減慢，活化分子數目減小，B錯誤；通入Ne使氣體的壓強增大，容積不變，反應體系中各物質的濃度不變，反應速率不變，C錯誤；升高反應溫度，反應速率加快，活化分子的百分數增大，D正確。
3．(雙選)反應3Fe(s)＋4H2O(g) = Fe3O4(s)＋4H2(g)在一可變容積的密閉容器中進行，下列條件的改變對其反應速率幾乎無影響的是(　AC　)
A．增加Fe的量
B．將容器的體積縮小一半
C．保持體積不變，充入N2使體系壓強增大
D．保持壓強不變，充入N2使容器體積增大
解析：Fe為固態反應物，增加其用量并不影響其濃度，因此增加Fe的量對反應速率幾乎無影響；容器體積縮小一半，即壓強增大，H2O(g)和H2的物質的量濃度增大，正反應速率和逆反應速率都增大；體積不變充入N2，容器內總壓強增大，但N2不參與反應，容器內H2和H2O(g)的物質的量濃度并沒有增加或減小，因此正反應速率和逆反應速率都基本不變；恒壓下充入N2，使容積增大，總壓強雖然不變，但容器內H2和H2O(g)的物質的量濃度都減小，正反應速率和逆反應速率都減小。
4.（雙選）常溫常壓時烯烴與氫氣混合不反應，高溫時反應很慢，但在適當的催化劑存在時可與氫氣反應生成烷烴，一般認為加氫反應是在催化劑表面進行。反應過程的示意圖如下：
下列說法中正確的是(　CD　)
A．乙烯和H2生成乙烷的反應是吸熱反應
B．加入催化劑，可減小反應的熱效應
C．催化劑能改變反應歷程，降低基元反應的活化能，從而加快反應速率
D．催化加氫過程中金屬氫化物的一個氫原子和雙鍵碳原子先結合，得到中間體
解析：A、根據圖示，得到反應物的能量高于產物的能量，所以該反應是放熱反應，故A錯誤；B、催化劑只會加快反應速率，不會引起反應熱的變化，反應的熱效應不變，故B錯誤；D、根據化學反應的歷程：催化加氫過程中金屬氫化物的一個氫原子和雙鍵碳原子先結合，得到中間體，故D正確；故選D。
5．在一密閉容器中，充入1 mol N2和3 mol H2，并在一定溫度和壓強條件下，使其發生反應：N2(g)＋3H2(g)? ?2NH3(g)　ΔH＝－92.4 kJ/mol。
(1)若保持容器容積不變，再向其中充入1 mol N2，反應速率會__加快___(填“加快”“減慢”或“不變”，下同)，理由是__增大了反應物的濃度，活化分子數目增多，反應速率加快___。
(2)若保持容器容積不變，再向其中充入1 mol氬氣，反應速率會__不變___，理由是__反應物的濃度沒有改變，反應速率不變___。
(3)若保持容器內氣體壓強不變，再向其中充入1 mol N2和3 mol H2，反應速率會__不變___，理由是__在一定溫度和壓強條件下，氣體體積和氣體的物質的量成正比，容器的容積增大，反應物的濃度沒有改變，反應速率就不會改變___。
(4)使用催化劑，反應速率會__加快___，理由是__催化劑可以降低反應的活化能，提高活化分子的百分數，反應速率加快___。
解析：(1)若保持容器容積不變，再向其中充入1 mol N2，增大了反應物的濃度，活化分子數目增多，反應速率加快。
(2)若保持容器容積不變，再向其中充入1 mol 氬氣，反應物的濃度不變，反應速率不變。
(3)在一定溫度和壓強條件下，氣體體積和氣體的物質的量成正比，若保持容器內氣體壓強不變；再向其中充入1 mol N2和3 mol H2，容器的容積增大，反應物的濃度沒有改變，反應速率不變。
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