新教材2023-2024學(xué)年高中化學(xué)第2章化學(xué)反應(yīng)的方向限度與速率微專題2活化能與反應(yīng)歷程壓強(qiáng)平衡常數(shù)課件魯科版選擇性必修1

微專題2活化能與反應(yīng)歷程壓強(qiáng)平衡常數(shù)素養(yǎng)目標(biāo)1.結(jié)合圖像,理解化學(xué)反應(yīng)的歷程,正確計(jì)算反應(yīng)的活化能、反應(yīng)熱,確定反應(yīng)的決速步,培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)。2.在學(xué)習(xí)化學(xué)平衡常數(shù)(K)的基礎(chǔ)上理解壓強(qiáng)平衡常數(shù),能利用Kp進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,培養(yǎng)證據(jù)推理與模型認(rèn)知的化學(xué)核心素養(yǎng)。重難探究?能力素養(yǎng)全提升探究一活化能與反應(yīng)歷程歸納拓展1.三步突破活化能(能壘)圖像2.活化能、決速步、反應(yīng)熱的判斷活化能是指活化分子具有的平均能量與反應(yīng)物分子具有的平均能量之差。如圖:圖中:E1表示正反應(yīng)的活化能,E2表示活化分子變成生成物分子放出的能量(即逆反應(yīng)的活化能),E3表示使用催化劑時(shí)正反應(yīng)的活化能,反應(yīng)熱為E1-E2。對于含有多步基元反應(yīng)的反應(yīng)歷程,思維過程與上圖相似。例如:一定條件下,CH4分解形成碳的反應(yīng)歷程如圖所示。一般每出現(xiàn)一個(gè)峰,為一個(gè)過渡態(tài),每越過一個(gè)峰,為一步反應(yīng)。該歷程分4步進(jìn)行,其中第4步的正反應(yīng)活化能最大。活化能最大的步驟為反應(yīng)最慢的步驟,為決速步,決速步的反應(yīng)為CH+3H→C+4H。反應(yīng)熱的計(jì)算有兩種方法:①根據(jù)正、逆反應(yīng)的活化能,本題中總反應(yīng)的ΔH=E1+E3+E5+E7-E2-E4-E6-E8;②根據(jù)反應(yīng)物和生成物的相對能量,ΔH=E(生成物)-E(反應(yīng)物)。計(jì)算ΔH時(shí),還應(yīng)注意圖像中能量的單位,我們通常使用的ΔH單位為kJ·mol-1,如圖像中能量的單位為電子伏(eV),則圖中微粒的量指的是微粒個(gè)數(shù),如EeV單位換算后ΔH=E×1.6×10-19×6.02×1023×10-3kJ·mol-1=96.32EkJ·mol-1。應(yīng)用體驗(yàn)視角1直線式歷程1.(常規(guī)性反應(yīng)歷程)工業(yè)上利用NH3對煙道氣進(jìn)行脫硝(除氮氧化物)的SCR技術(shù)具有效率高、性能可靠的優(yōu)勢。SCR技術(shù)的原理為NH3和NO在催化劑(MnO2)表面轉(zhuǎn)化為N2和H2O,反應(yīng)歷程中的相對能量變化如圖所示。下列說法正確的是(

)A.總反應(yīng)方程式為6NO+4NH3

5N2+6H2O(ΔH<0)B.NH2NO是脫硝反應(yīng)的催化劑C.升高溫度,脫硝反應(yīng)的正反應(yīng)速率的增大程度大于其逆反應(yīng)速率的增大程度D.決定反應(yīng)速率的步驟是“NH2NO的轉(zhuǎn)化”A解析

由已知SCR技術(shù)的原理為NH3和NO在催化劑(MnO2)表面轉(zhuǎn)化為N2和H2O可知,總反應(yīng)的方程式為6NO+4NH3

5N2+6H2O,根據(jù)反應(yīng)物和生成物的相對能量高低,可以確定該反應(yīng)為放熱反應(yīng),A正確;觀察相對能量-反應(yīng)歷程曲線知,NH3吸附在催化劑表面后,經(jīng)過一定的反應(yīng)形成了NH2NO,NH2NO又經(jīng)過反應(yīng)得到N2和H2O,所以NH2NO是脫硝反應(yīng)的活性中間體,B錯(cuò)誤;該反應(yīng)為放熱反應(yīng),升高溫度平衡逆向移動,所以升高溫度后,脫硝反應(yīng)的正反應(yīng)速率的增大程度小于其逆反應(yīng)速率的增大程度,C錯(cuò)誤;根據(jù)曲線表明,全過程中H的移除過程活化能最大,其速率是全過程幾步反應(yīng)中最慢的,決定了反應(yīng)的速率,是總反應(yīng)的決速步驟,D錯(cuò)誤。2.(通過模型表示微粒的組成)硫酸鹽(含

)氣溶膠是PM2.5的成分之一。近期科研人員提出了霧霾微顆粒中硫酸鹽生成的轉(zhuǎn)化機(jī)理,其主要過程示意圖如圖:下列說法不正確的是(

)A.該過程有H2O參與B.NO2是生成硫酸鹽的氧化劑C.硫酸鹽氣溶膠呈酸性D.該過程沒有生成硫氧鍵D3.(競爭反應(yīng)歷程)我國科研人員在銀催化簡單烷烴的區(qū)域選擇性方面取得了重要突破,有效克服烷烴C—H鍵的惰性并實(shí)現(xiàn)其區(qū)域選擇性活化。一種對烷烴C—H鍵的選擇性插入反應(yīng)歷程如圖所示。下列說法正確的是(

)A.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種物質(zhì)中,最穩(wěn)定的是ⅡB.總反應(yīng)速率取決于由中間體1生成中間體2的一步C.升高溫度,三個(gè)反應(yīng)的速率均加快,有利于提高烷烴的轉(zhuǎn)化率D.催化劑對化學(xué)反應(yīng)具有選擇性,生成不同產(chǎn)物的同時(shí)改變了反應(yīng)的焓變B解析

物質(zhì)能量越低越穩(wěn)定,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種物質(zhì)中最穩(wěn)定的是Ⅰ,A錯(cuò)誤;化學(xué)反應(yīng)的速率取決于歷程中反應(yīng)慢的過程,中間體1生成中間體2的反應(yīng)活化能最高,決定了總反應(yīng)的速率,B正確;三個(gè)反應(yīng)均為放熱反應(yīng),升高溫度,平衡向逆反應(yīng)方向移動,烷烴的轉(zhuǎn)化率降低,C錯(cuò)誤;催化劑具有選擇性,只影響化學(xué)反應(yīng)速率,不改變反應(yīng)的焓變,D錯(cuò)誤。4.(列表型反應(yīng)歷程)水煤氣變換反應(yīng)CO(g)+H2O(g)

CO2(g)+H2(g)

ΔH<0(簡稱WGS),在金屬催化劑Au(Ⅲ)表面上發(fā)生的所有基元反應(yīng)步驟的活化能數(shù)值(單位:kJ·mol-1)如下表,其中*表示催化劑表面活性位,X*表示金屬表面活性位吸附物種。其他條件一定時(shí),決定WGS反應(yīng)速率的基元反應(yīng)為

(填編號),基元反應(yīng)CO*+O*

CO2*+*的焓變ΔH=

kJ·mol-1。由表中數(shù)據(jù)計(jì)算WGS反應(yīng)的焓變ΔH=

kJ·mol-1。

②

-166-55解析

分析表中數(shù)據(jù),反應(yīng)所需要的活化能越高,反應(yīng)越難發(fā)生,所以該機(jī)理中WGS反應(yīng)速率決速步驟是②,基元反應(yīng)CO*+O*

CO2*+*對應(yīng)的是⑥ΔH=37

kJ·mol-1-203

kJ·mol-1=-166

kJ·mol-1,WGS反應(yīng)的焓變ΔH=(150+71+74+37+17)

kJ·mol-1-(67+67+25+42+203)

kJ·mol-1=-55

kJ·mol-1。5.(框圖式反應(yīng)歷程)利用CO2與CH4制備合成氣(CO、H2),可能的反應(yīng)歷程如圖所示:說明:①C(ads)為吸附性活性炭,E表示方框中物質(zhì)的總能量(單位:kJ·mol-1),TS表示過渡態(tài)。②相關(guān)化學(xué)鍵鍵能為C—H(413kJ·mol-1),C=O(745kJ·mol-1),C≡O(shè)(1075kJ·mol-1)下列說法不正確的是(

)A.制備合成氣總反應(yīng)的ΔH可表示為(E5-E1)kJ·mol-1B.若E3+E2<E4+E1,則決定速率步驟的化學(xué)方程式為CH4(g)═C(ads)+2H2(g)C.若ΔH=+120kJ·mol-1,則H—H鍵鍵能為436kJ·mol-1D.使用催化劑后,CO和H2平衡產(chǎn)率不改變B解析

根據(jù)圖示可知制備合成氣總反應(yīng)的ΔH=(E5-E1)

kJ·mol-1,A正確;若E3+E2<E4+E1,則E2-E1<E4-E3,即第二步的活化能更大,決速步驟為C(ads)+CO2(g)═2CO(g),B錯(cuò)誤;設(shè)H—H鍵的鍵能為x

kJ·mol-1,則120=(413×4+745×2)-(1

075×2+2x),解得x=436,C正確;催化劑不改變化學(xué)平衡狀態(tài),則使用催化劑后,CO和H2平衡產(chǎn)率不改變,D正確。視角2循環(huán)型歷程6.(單循環(huán)型歷程)(1)以乙烯(C2H4)作為還原劑脫硝(NO),其脫硝機(jī)理如圖所示,若反應(yīng)中n(NO)∶n(O2)=2∶1,則總反應(yīng)的化學(xué)方程式為____________________________________。

解析

根據(jù)圖示可知,在催化劑的作用下,C2H4與NO、O2反應(yīng)最終生成N2、CO2、H2O,反應(yīng)中n(NO)∶n(O2)=2∶1,反應(yīng)總方程式為6NO+3O2+2C2H4

3N2+4CO2+4H2O。(2)用Ni2+可直接催化NO分解生成N2、O2,將其反應(yīng)機(jī)理補(bǔ)充完整(Vo代表氧空穴):2Ni2++2Vo+2NO→2Ni3++2O-+N2______________________________。7.(雙循環(huán)型歷程)據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,某反應(yīng)的反應(yīng)歷程如圖所示,下列有關(guān)該歷程的說法錯(cuò)誤的是(

)A.Ti4+是催化劑B.Ti4+…NH2—N=O是中間產(chǎn)物C.總反應(yīng)化學(xué)方程式為4NH3+3O2

2N2+6H2OD.Ti4+…NH2—N=O→Ti4++N2+H2O屬于分解反應(yīng)C解析

圖中Ti4+在整個(gè)反應(yīng)中參與了反應(yīng),最后又生成,所以是催化劑,A正確;反應(yīng)中加入NO后生成Ti4+…NH2—N=O,后又生成Ti4+,得出Ti4+…NH2—N=O是中間產(chǎn)物,B正確;根據(jù)反應(yīng)歷程,參加反應(yīng)的有O2、NH3和NO,生成物有N2和H2O,可以寫出反應(yīng)方程式為2NO+4NH3+2O2

3N2+6H2O,C錯(cuò)誤;反應(yīng)中Ti4+…NH2—N=O→Ti4++N2+H2O由一種物質(zhì)生成多種物質(zhì),屬于分解反應(yīng),D正確。探究二壓強(qiáng)平衡常數(shù)Kp的計(jì)算方法歸納拓展氣體的壓強(qiáng)平衡常數(shù)(Kp)(1)氣體的分壓p(B)。相同溫度下,當(dāng)某組分氣體B單獨(dú)存在且具有與混合氣體總體積相同的體積時(shí),該氣體B所具有的壓強(qiáng),稱為氣體B的分壓強(qiáng),簡稱氣體B的分壓。符號為p(B),單位為Pa或kPa或MPa。(2)分壓定律。①分壓定律:混合氣體的總壓等于相同溫度下各組分氣體的分壓之和。p(A)+p(B)+p(C)+p(D)+…=p應(yīng)用體驗(yàn)視角1壓強(qiáng)平衡常數(shù)的理解和簡單計(jì)算C0.8歸納總結(jié)

壓強(qiáng)平衡常數(shù)(Kp)的計(jì)算流程

視角2恒容條件下壓強(qiáng)平衡常數(shù)的計(jì)算3.(2022湖南卷節(jié)選)2021年我國制氫量位居世界第一,煤的氣化是一種重要的制氫途徑?；卮鹣铝袉栴}:在一定溫度下,向容積固定的密閉容器中加入足量的C(s)和1molH2O(g),起始壓強(qiáng)為0.2MPa時(shí),發(fā)生下列反應(yīng)生成水煤氣:Ⅰ.C(s)+H2O(g)

CO(g)+H2(g)

ΔH1=+131.4kJ·mol-1Ⅱ.CO(g)+H2O(g)

CO2(g)+H2(g)

ΔH2=-41.1kJ·mol-1反應(yīng)平衡時(shí),H2O(g)的轉(zhuǎn)化率為50%,CO的物質(zhì)的量為0.1mol。此時(shí),整個(gè)體系

(填“吸收”或“放出”)熱量

kJ,反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)Kp=

(以分壓表示,分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。

吸收

31.20.02MPa解析

反應(yīng)平衡時(shí),H2O(g)的轉(zhuǎn)化率為50%,則水的變化量為0.5

mol,平衡時(shí)n(H2O)=0.5

mol,由于n(CO)=0.1

mol,則根據(jù)O原子守恒可知n(CO2)=0.2

mol;由H原子守恒可知,n(H2)=0.5

mol。根據(jù)相關(guān)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式可知,反應(yīng)過程可看作反應(yīng)Ⅰ中生成了0.3

mol

CO,后在反應(yīng)Ⅱ中又有0.2

mol

CO轉(zhuǎn)化為CO2,反應(yīng)Ⅰ吸收熱量131.4

kJ·mol-1×0.3

mol=39.42

kJ,反應(yīng)Ⅱ生成0.2

mol

CO2要放出熱量41.1

kJ·mol-1×0.2

mol=8.22

kJ,因此整個(gè)體系吸收熱量39.42

kJ-8.22

kJ=31.2

kJ。平衡時(shí),n(H2O)=0.5

mol,n(CO)=0.1

mol,n(CO2)=0.2

mol,n(H2)=0.5

mol,則平衡時(shí)氣體的總物質(zhì)的量為0.5

mol+0.1

mol+0.2

mol+0.5

mol=1.3

mol。在同溫同體積條件下,氣體的總壓之比等于氣體的總物質(zhì)的量之比,則平衡體系的總壓為0.2MPa×1.3=0.26MPa,反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)歸納總結(jié)

運(yùn)用Kc、Kp解題的注意事項(xiàng)三段式是解平衡計(jì)算題的萬能鑰匙,解題時(shí)必須注意以下三點(diǎn):(1)Kc或Kp利用的是平衡濃度和平衡時(shí)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。(2)一定看清題目是恒溫恒容還是恒溫恒壓,在恒溫恒容條件下計(jì)算Kp,反應(yīng)過程中壓強(qiáng)可能改變,導(dǎo)致平衡時(shí)壓強(qiáng)與起始壓強(qiáng)不同