通過(guò)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理揭示化學(xué)反應(yīng)變化的實(shí)質(zhì)1.過(guò)渡態(tài)理論及活化能(1)過(guò)渡態(tài)理論認(rèn)為,反應(yīng)物分子并不只是通過(guò)簡(jiǎn)單碰撞直接形成產(chǎn)物,而 是必須經(jīng)過(guò)一個(gè)形成活化絡(luò)合物的過(guò)渡狀態(tài),并且達(dá)到這個(gè)過(guò)渡狀態(tài)需 要一定的活化能。(2)大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)往往要經(jīng)過(guò)多個(gè)反應(yīng)步驟才能實(shí)現(xiàn),其中的每一步反 應(yīng)都稱(chēng)為基元反應(yīng),每一個(gè)基元反應(yīng)都經(jīng)歷一個(gè)過(guò)渡態(tài)。下圖是達(dá)到過(guò) 渡態(tài)所需要的活化能(如圖E1、E2):
?2.催化劑與活化能(1)催化機(jī)理:催化劑參與化學(xué)反應(yīng),生成能量更低的中間產(chǎn)物,降低了達(dá)到 過(guò)渡態(tài)所需要的活化能,使反應(yīng)易于發(fā)生,速率加快。這就是我們經(jīng)常說(shuō) 的催化劑通過(guò)改變反應(yīng)途徑,降低反應(yīng)的活化能。
?(2)催化反應(yīng)一般過(guò)程①反應(yīng)物擴(kuò)散到催化劑表面;②反應(yīng)物被吸附在催化劑表面;③被吸附的反應(yīng)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成產(chǎn)物;
例????(2021屆省實(shí)驗(yàn)中學(xué)高三一診,3)N2O和CO是環(huán)境污染性氣體,可在Pt2 O+表面轉(zhuǎn)化為無(wú)害氣體,其總反應(yīng)為N2O(g)+CO(g)?CO2(g)+N2(g)????ΔH,有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)變化過(guò)程及能量變化過(guò)程分別如圖甲、乙所示。 下列說(shuō)法不正確的是?(　　)?A.ΔH=ΔH1+ΔH2
B.ΔH=-226 kJ·ml-1C.由圖乙知該反應(yīng)正反應(yīng)的活化能小于逆反應(yīng)的活化能D.為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化,需不斷向反應(yīng)器中補(bǔ)充Pt2O+和Pt2?
解析　總反應(yīng)方程式為N2O(g)+CO(g) ?CO2(g)+N2(g)????ΔH,由①N2O(g)+Pt2O+(s)?Pt2?(s)+N2(g)????ΔH1和②Pt2?(s)+CO(g)?Pt2O+(g)+CO2(s)????ΔH2,可知①+②等于總反應(yīng)方程式,則ΔH=ΔH1+ΔH2,A正確;ΔH=正反 應(yīng)活化能Ea-逆反應(yīng)活化能Eb=134 kJ·ml-1-360 kJ·ml-1=-226 kJ·ml-1,B正 確;由圖乙可知,正反應(yīng)活化能Ea小于逆反應(yīng)活化能Eb,C正確;反應(yīng)過(guò)程中 Pt2O+和Pt2?參與反應(yīng)后又生成,不需要補(bǔ)充,D錯(cuò)誤。
題目?jī)r(jià)值　本題是以環(huán)境污染性氣體N2O和CO在Pt2O+表面轉(zhuǎn)化為無(wú)害 氣體為背景,分析物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)變化的反應(yīng)機(jī)理及伴隨的能量變化,考 查了蓋斯定律的應(yīng)用,體現(xiàn)了宏觀辨識(shí)與微觀探析、證據(jù)推理與模型認(rèn) 知的學(xué)科核心素養(yǎng)。
物質(zhì)轉(zhuǎn)化歷程與能量圖像基元反應(yīng)是指在反應(yīng)中一步直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物的反應(yīng),又稱(chēng)為簡(jiǎn)單反應(yīng)。 大多數(shù)的化學(xué)反應(yīng)不能一步完成,在微觀上是分幾步完成的,每一步反應(yīng) 都是一個(gè)基元反應(yīng)。基元反應(yīng)過(guò)渡狀態(tài)理論,有比簡(jiǎn)單碰撞理論更加鮮明的物理圖像,理論的 重要部分是反應(yīng)系統(tǒng)的勢(shì)能面,刻畫(huà)了反應(yīng)所引起的能量變化,指出了反 應(yīng)經(jīng)歷的可能途徑。該理論認(rèn)為,基元反應(yīng)在從反應(yīng)物到產(chǎn)物的變化過(guò) 程中要經(jīng)歷一個(gè)中間狀態(tài),這個(gè)狀態(tài)稱(chēng)為過(guò)渡態(tài)。X+YZ????? 　　[X…Y…Z]?????　　　XY+Z反應(yīng)物　　　過(guò)渡態(tài)　　產(chǎn)物過(guò)渡態(tài)是處在反應(yīng)過(guò)程中具有最高能量的一種分子構(gòu)型,過(guò)渡態(tài)能量與
反應(yīng)物的平均能量的差值相當(dāng)于活化能。反應(yīng)的歷程與能量圖像可以 表示為:?物質(zhì)轉(zhuǎn)化歷程與能量圖像常見(jiàn)類(lèi)型有以下三種:
例1????(2015北京理綜,9,6分)最新報(bào)道:科學(xué)家首次用X射線(xiàn)激光技術(shù)觀察 到CO與O在催化劑表面形成化學(xué)鍵的過(guò)程。反應(yīng)過(guò)程的示意圖如下:?下列說(shuō)法正確的是?(　　)A.CO和O生成CO2是吸熱反應(yīng)B.在該過(guò)程中,CO斷鍵形成C和OC.CO和O生成了具有極性共價(jià)鍵的CO2D.狀態(tài)Ⅰ→狀態(tài)Ⅲ表示CO與O2反應(yīng)的過(guò)程
命題分析　本題將微觀、抽象的化學(xué)變化具體化為可視的示意圖,需要 考生整合題干和圖像信息,回答相關(guān)問(wèn)題。
解析　A項(xiàng),CO和O生成CO2是放熱反應(yīng);B項(xiàng),觀察反應(yīng)過(guò)程的示意圖知, 該過(guò)程中,CO中的化學(xué)鍵沒(méi)有斷裂形成C和O;C項(xiàng),圖中CO和O生成的CO2 分子中含有極性共價(jià)鍵;D項(xiàng),狀態(tài)Ⅰ→狀態(tài)Ⅲ表示CO與O反應(yīng)的過(guò)程。
例2　已知:2H2O(l)? 2H2(g)+O2(g)????ΔH=+571.0 kJ/ml。以太陽(yáng)能為熱源分解Fe3O4,經(jīng)熱化學(xué)鐵氧化合物循環(huán)分解水制H2的過(guò)程如下:?過(guò)程Ⅰ:2Fe3O4(s)? 6FeO(s)+O2(g)????ΔH=+313.2 kJ/ml過(guò)程Ⅱ:……下列說(shuō)法不正確的是?(　　)
A.過(guò)程Ⅰ中每消耗232 g Fe3O4轉(zhuǎn)移2 ml電子B.過(guò)程Ⅱ熱化學(xué)方程式為3FeO(s)+H2O(l)? H2(g)+Fe3O4(s)????ΔH=+128.9 kJ/mlC.過(guò)程Ⅰ、Ⅱ中能量轉(zhuǎn)化的形式依次是:太陽(yáng)能→化學(xué)能→熱能D.鐵氧化合物循環(huán)分解水制H2具有成本低、產(chǎn)物易分離等優(yōu)點(diǎn)
命題分析　本題涉及氧化還原反應(yīng)、蓋斯定律的應(yīng)用、能量的轉(zhuǎn)化等 知識(shí)點(diǎn),考查信息轉(zhuǎn)化、應(yīng)用及計(jì)算能力,體現(xiàn)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的學(xué) 科核心素養(yǎng)。
解析　A項(xiàng),過(guò)程Ⅰ中每消耗232 g Fe3O4生成0.5 ml O2,轉(zhuǎn)移2 ml電子;B 項(xiàng),根據(jù)蓋斯定律,由(總反應(yīng)×1/2-過(guò)程Ⅰ×1/2)得過(guò)程Ⅱ熱化學(xué)方程式:3 FeO(s)+H2O(l)? H2(g)+Fe3O4(s)????ΔH=+128.9 kJ/ml;C項(xiàng),過(guò)程Ⅰ和過(guò)程Ⅱ都是吸熱反應(yīng),不存在化學(xué)能→熱能;D項(xiàng),鐵氧化合物循環(huán)分解水制 H2具有成本低的優(yōu)點(diǎn),氫氣和氧氣分步生成,具有產(chǎn)物易分離的優(yōu)點(diǎn)。
例3????(2018海南單科,12,4分)炭黑是霧霾中的重要顆粒物,研究發(fā)現(xiàn)它可 以活化氧分子,生成活化氧?；罨^(guò)程的能量變化模擬計(jì)算結(jié)果如圖所 示?；罨蹩梢钥焖傺趸趸?。下列說(shuō)法正確的是?(　　)?
A.每活化一個(gè)氧分子吸收0.29 eV的能量B.水可使氧分子活化反應(yīng)的活化能降低0.42 eVC.氧分子的活化是O—O的斷裂與C—O鍵的生成過(guò)程D.炭黑顆粒是大氣中二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫的催化劑
命題分析　本題創(chuàng)設(shè)學(xué)術(shù)探索情境,考查催化劑參與的反應(yīng)歷程和能量 圖像分析等知識(shí),體現(xiàn)了證據(jù)推理與模型認(rèn)知的核心素養(yǎng),突出了基礎(chǔ) 性、創(chuàng)新性的考查要求。反應(yīng)歷程中的基元反應(yīng)的能量變化,“爬坡” 即為能壘。最大能壘步驟屬于“慢反應(yīng)”,決定整個(gè)反應(yīng)速率。研究工 作的方向是尋找合適的催化劑,降低最大能壘步驟的能壘,提高反應(yīng)速率, 提高生產(chǎn)效率。

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