微專題2　化學反應歷程的能量探析1．基元反應、過渡態(tài)理論及活化能(1)基元反應：研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)化學反應并不是經(jīng)過簡單碰撞就能完成，往往要經(jīng)過多個反應步驟才能實現(xiàn)。每一步反應都稱為基元反應。 (2)過渡態(tài)理論：過渡態(tài)理論認為，反應物分子并不只是通過簡單碰撞直接形成產(chǎn)物，而是必須經(jīng)過一個形成活化絡合物的過渡狀態(tài)，并且達到這個過渡狀態(tài)需要一定的活化能。這與爬山類似，山的最高點便是過渡態(tài)。2．多步反應的活化能及與速率的關(guān)系(1)多步反應的活化能：一個化學反應由幾個基元反應完成，每一個基元反應都經(jīng)歷一個過渡態(tài)，及達到該過渡態(tài)所需要的活化能(如圖E1、E2)，而該復合反應的活化能只是由實驗測算的表觀值，沒有實際物理意義。(2)活化能和速率的關(guān)系：基元反應的活化能越大，反應物到達過渡態(tài)就越不容易，該基元反應的速率就越慢。一個化學反應的速率就取決于速率最慢的基元反應。3．催化劑與活化能(1)催化劑的催化機理：催化劑參與化學反應，生成能量更低的中間產(chǎn)物，降低了達到過渡態(tài)所需要的活化能，使反應易于發(fā)生，速率加快。這就是我們經(jīng)常說的催化劑改變反應途徑，降低反應的活化能。 (2)催化反應一般過程(簡化的過程)：①反應物擴散到催化劑表面；②反應物被吸附在催化劑表面；③被吸附的反應物發(fā)生化學反應生成產(chǎn)物；④產(chǎn)物的解吸。例　研究表明CO與N2O在Fe＋作用下發(fā)生反應的能量變化及反應歷程如圖所示，兩步反應分別為：①N2O＋Fe＋===N2＋FeO＋(慢)；②FeO＋＋CO===CO2＋Fe＋(快)。下列說法正確的是(　　)A．反應①是氧化還原反應，反應②是非氧化還原反應B．兩步反應均為放熱反應，總反應的化學反應速率由反應②決定C．Fe＋使反應的活化能減小，FeO＋是中間產(chǎn)物D．若轉(zhuǎn)移1 mol電子，則消耗11.2 L N2O答案　C解析　反應②FeO＋＋CO===CO2＋Fe＋(快)，元素化合價發(fā)生變化，屬于氧化還原反應，故A項錯誤；總反應速率由反應慢的決定，即由反應①決定，故B項錯誤；Fe＋作催化劑，使反應的活化能減小，FeO＋是中間產(chǎn)物，故C項正確；氣體存在的條件未知，則不能確定氣體的體積，故D項錯誤。1．(2018·海南，12改編)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。活化過程的能量變化模擬計算結(jié)果如圖所示。活化氧可以快速氧化SO2。下列說法正確的是(　　)A．每活化一個氧分子吸收0.29 eV能量B．水可使氧分子活化反應的活化能降低0.42 eVC．氧分子的活化是C—O的斷裂與O—O的生成過程D．炭黑顆粒是大氣中SO2轉(zhuǎn)化為SO3的催化劑答案　D解析　由圖可知，反應物的總能量高于生成物的總能量，因此是放出能量，故A不符合題意；由圖可知，水可使氧分子活化反應的活化能降低0.18 eV，故B不符合題意；由圖可知，氧分子的活化是O—O的斷裂與C—O的生成過程，故C不符合題意；活化氧可以快速氧化SO2，而炭黑顆?？梢曰罨醴肿樱虼颂亢陬w?？梢钥醋鞔髿庵?/span>SO2轉(zhuǎn)化為SO3的催化劑。2．(2018·北京，7改編)我國科研人員提出了由CO2和CH4轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品CH3COOH的催化反應歷程。該歷程示意圖如下。下列說法不正確的是(　　)A．生成CH3COOH總反應的原子利用率為100%B．CH4→CH3COOH過程中，有C—H發(fā)生斷裂C．①→②放出能量并形成了C—CD．該催化劑可改變反應的反應熱答案　D解析　CH4＋CO2―→CH3COOH，反應的原子利用率為100%，A對；由題圖可知，CH4→CH3COOH有C—H發(fā)生斷裂，B對；反應物總能量高于生成物總能量，反應放出能量，①→②形成了C—C，C對；催化劑只改變反應的途徑，不改變反應的反應熱，D錯。3．(2019·北京月考)N2O和CO是環(huán)境污染性氣體，可在Pt2O＋表面轉(zhuǎn)化為無害氣體，其反應原理為N2O(g)＋CO(g)===CO2(g)＋N2(g)　ΔH，有關(guān)化學反應的物質(zhì)變化過程及能量變化過程分別如圖甲、乙所示。下列說法不正確的是(　　)A．ΔH＝ΔH1＋ΔH2B．ΔH＝－226 kJ·mol－1C．該反應正反應的活化能小于逆反應的活化能D．為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，需不斷向反應器中補充Pt2O＋和Pt2O答案　D解析　①N2O＋Pt2O＋===Pt2O＋N2　ΔH1，②Pt2O＋CO===Pt2O＋＋CO2　ΔH2，結(jié)合蓋斯定律計算①＋②得到N2O(g)＋CO(g)===CO2(g)＋N2(g)　ΔH＝ΔH1＋ΔH2，故A正確；由圖示分析可知，反應物總能量高于生成物總能量，反應為放熱反應，反應焓變ΔH＝134 kJ·mol－1－360 kJ·mol－1＝－226 kJ·mol－1，故B正確；正反應的活化能Ea＝134 kJ·mol－1小于逆反應的活化能Eb＝360 kJ·mol－1，故C正確；①N2O＋Pt2O＋====Pt2O＋N2　ΔH1，②Pt2O＋CO=== Pt2O＋＋CO2　ΔH2，反應過程中Pt2O＋和Pt2O參與反應后又生成，不需要補充，故D錯誤。4．(2020·山東等級模擬考，15改編)熱催化合成氨面臨的兩難問題是：釆用高溫增大反應速率的同時會因平衡限制導致NH3產(chǎn)率降低。我國科研人員研制了Ti—H—Fe雙溫區(qū)催化劑(Ti—H區(qū)域和Fe區(qū)域的溫度差可超過100 ℃)。Ti—H—Fe雙溫區(qū)催化合成氨的反應歷程如圖所示，其中吸附在催化劑表面上的物種用*標注。下列說法正確的是(　　)A．①為氮氮三鍵的斷裂過程B．①②③在低溫區(qū)發(fā)生C．④為N原子由Fe區(qū)域向Ti—H區(qū)域的傳遞過程D．使用Ti—H—Fe雙溫區(qū)催化劑使合成氨反應轉(zhuǎn)變?yōu)槲鼰岱磻?/span>答案　C解析　經(jīng)歷①過程之后氮氣分子被催化劑吸附，并沒有變成氮原子，所以A錯誤；①為催化劑吸附N2的過程，②為形成過渡態(tài)的過程，③為N2解離為N的過程，以上都需要在高溫時進行，所以B錯誤；由題中圖示可知，過程④完成了Ti—H—Fe—*N 到Ti—H—*N—Fe兩種過渡態(tài)的轉(zhuǎn)化，N原子由Fe區(qū)域向Ti—H區(qū)域傳遞，C正確；化學反應不會因加入催化劑而改變吸放熱情況，所以D錯誤。5．[2019·全國卷Ⅰ，28(3)]我國學者結(jié)合實驗與計算機模擬結(jié)果，研究了在金催化劑表面上水煤氣變換的反應歷程，如圖所示，其中吸附在金催化劑表面上的物種用*標注。可知水煤氣變換的ΔH________0(填“大于”“等于”或“小于”)。該歷程中最大能壘(活化能)E正＝________eV，寫出該步驟的化學方程式____________________。答案　小于　2.02COOH*＋H*＋H2O*===COOH*＋2H*＋OH*(或H2O*===H*＋OH*)解析　觀察起始態(tài)物質(zhì)的相對能量與終態(tài)物質(zhì)的相對能量知，終態(tài)物質(zhì)的相對能量低于始態(tài)物質(zhì)的相對能量，說明該反應是放熱反應，ΔH小于0。過渡態(tài)物質(zhì)的相對能量與起始態(tài)物質(zhì)的相對能量相差越大，活化能越大，由題圖知，最大活化能E正＝1.86 eV－(－0.16 eV)＝2.02 eV，該步起始物質(zhì)為COOH*＋H*＋H2O*，產(chǎn)物為COOH*＋2H*＋OH*。

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