刘云贵
安徽省太和县第一中学 安徽省阜阳市 236000
摘要：目前教育部已针对化学反应方向、限度以及速率等概念的教学提出了明确要求，需要相关教师带领学生深入研究活化能的基本概念，有效突破高中化学课程中涉及的重难点问题。基于此，通过研究高考化学活化能概念题型，从催化剂对活化能的影响、利用活化能解释化学反应速率变化、活化能在反应速率影响下随温度变化的敏感程度等方面着手分析以核心素养为导向的高考题型，旨在为化学学科的高考复习提供理论方面的参考。
关键词：高考化学；活化能；概念题型
引言
化学反应中的活化能可直接影响化学反应速率，这也是化学动力学中最重要的一个基本概念。这就需要相关教师引导学生深入研究活化能概念，帮助学生重新梳理高考化学中可能出现的概念性题型。纵观历年高考化学试卷，活化能主要用于考查学生对化学反应速率这一知识点的掌握程度，这也是新课改要求下学生必须掌握的核心素养之一。因此，教师带领学生复习化学这门学科时，应有意识地帮助学生彻底理解活化能的基本概念，以活化能的命题为导向，培养学生形成良好的化学核心素养。
1 通过估算活化能大小来判断反应速率变化情况
活化能是化学动力学中最重要的一项参考指标，其数据主要通过实验的方式获得。求取某个化学反应中的活化能时，可以依托于阿累尼乌斯公式的定积分式或微分式，计算不同温度条件下的反应速率之比，或者将不同温度下多次测量出的反应速率常数作图后计算斜率得出活化能的具体数值。利用作图法可直接观察到活化能与温度变化之间存在细微偏差。若温差高于500K，那么活化能的变化较为显著，因此活化能的大小变化不仅与催化剂有关，还与温度这个影响因素密切相关。另一方面，除了实验的方式可获得活化能之外，还可以通过反应物化学键的键能大小来估算活化能。这种估算方法更倾向于利用某个特定的经验和规则进行判断，尽管精准性有待提高，但借助这种方法分析反应速率仍具有一定的可行性。
例如，在503K温度下，以银为催化剂，乙烯可与氧气发生化学反应，其生成产物包括环氧乙烷、二氧化碳以及水蒸汽。实际上该反应是并列进行的两个平行反应，而非两个连续反应，其反应式如下：①C2H4(g)+l/2O2(g)C2H4O(g)环氧乙烷，?H=-104.8 kJ ? mol-1
②C2H4(g)+3O2(g)2CO2(g)+2H2O(g)，?H=-1321.7 kJ·mol-1
(1)在503K温度条件下发生化学反应时，反应①的速率比反应②的速率快100倍，原因是什么？
(2)结合下图画出反应①和反应②之间的氧化过程和能量变化示意图。
2 通过催化剂改变活化能来影响化学反应速率
利用催化剂可有效提高化学反应速率，以503K温度下发生的反应为例：2HI(g)=H2(g) +I2(g)，其中活化能E0 =184.1 kJ ? mol-1，在催化剂Au的作用下活化能E′=104.6 kJ ? mol-1.由阿累尼乌斯公式可知，尽管活化能只降低了40%左右，但其反应速率可增长1800万倍左右。在催化剂的影响下化学反应过程直接发生明显变动，原本在较大的活化能作用下无法快速发生反应，转变为通过几个较小的活化能来降低整个反应过程的活化能，有效加快了化学反应速率。与此同时，以催化氯酸钾分解的二氧化锰实验为例，二氧化锰在反应前后将会由块状变为粉末状，铂丝网在氨的催化氧化作用下也会因反应持续了一段时间而呈现出多孔粗糙的状态。由此可知，在此反应过程中催化剂发挥了一定的作用，使反应历程发生了明显变化。实际上催化剂在可逆反应中的催化能力是同等的，将催化剂投入使用只会影响反应速率的变化，不会对反应的自发状态造成影响，不会使反应过程发生平衡移动，也不会改变反应的热效应。
例如，某煤化工工业中煤液化的反应为:CO(g)+2H2(g)CH3OH(l)，?H<0.
(1) 在催化剂作用下将反应物投入容器后发生此反应，图中曲线A是催化条件下甲醇在反应过程中的生成量变化曲线，在此基础上画出不加入催化剂，且体积和材质容积相同条件下甲醇的生成曲线。
(2) 在高压条件下对CO与H2合成时采用的催化剂进行研究时，由于缺乏高压设备，现假设研究甲醇在常压下分解出的催化剂同样可得出结果，这种假设是否成立？原因是什么？
3 通过活化能对反应速率的影响来判断温度变化的敏感性
对于大部分化学反应而言，其普遍会随着温度升高而加快反应速率，但也存在少部分反应会随着温度的升高而降低化学反应速率，如NO氧化成NO2的化学反应。与此同时，部分酶催化反应会在温度升高的影响下造成酶性失活，从而降低反应速率。在以上化学反应中第一种最为常见，因此在研究时通常以第一种情况为例。基于范特霍夫经验规则，判断第一种反应中速率和温度之间的关系时可知，温度每升高10℃，其反应速率就会加快2～4倍左右。实际上不同化学反应中上升相同的温度，其化学反应速率变化的增量却并不完全相同，这就意味着反应速率在温度变化下的敏感程度各不相同。如373K和383K温度条件下，两个分别为184. 1 kJ·mol-1和272.0 kJ ? mol-1的活化能发生气相反应，基于阿累尼乌斯经验式的定积分变形计算后可得知，当温度升高10K时，以上两个反应的速率将随之增长至原来的17.27倍和69.03倍。这意味着化学反应的活化能越大，化学反应速率在温度变化下的敏感程度越高。究极根本原因在于特定温度下，若活化能相对较高的化学反应持续受到高温影响，化学反应内部的普通分子即可转化为活化分子，并发生有效碰撞；若化学反应的活化能较小，其在特定温度下活化分子的百分比已达到临界值，因而温度升高对反应速率的影响相对较小。
例如，在TK温度条件下，氯苯(C6H5Cl)与Cl2在I2的CS2溶液中发生化学反应，由I2作催化剂，其反应如下：①C6H5Cl+Cl2o-C6H4Cl2(邻二氯苯)+HCl Ea1
②C6H5Cl+Cl2p-C6H4Cl2(对二氯苯)+HCl Ea2
（1）由I2作催化剂可知，两个反应的活化能Ea1>Ea2，若某实验以o-C6H4Cl2(邻二氯苯)为主产物，并对副产物p-C6H4Cl2(对二氯苯)进行抑制时，可采取以下哪种操作？
A.升高特定的温度 B.降低特定的温度
C.换成适合的催化剂 D.加入大量对二氯苯
（2）在以上反应中通常还会产生2%左右极少量的m-C6H4Cl2(间二氯苯)产物，在此过程中若间二氯苯生成物的活化能为Ea3 ，那么Ea3 与Ea1之间存在何种关系？
结语
高考化学以核心素养的五个维度为基础，将实际问题和真实情境具体化后检验学生对所学知识的掌握程度。尽管活化能是化学反应原理教学中关于化学反应速率问题的一个小知识点，但在教学过程中仍需注重活化能概念的讲解和引申，带领学生解决相关问题时帮助其积累化学知识储备，同时有意识地开发学生的创新性思维，要求学生灵活运用其中涉及的化学反应原理和基本概念解决实际问题，更深层次地了解化学思维和科学研究方法的应用，从整体上提高学生的化学核心素养。
参考文献
[1]刘国杰,黑恩成.一个扩展的过渡状态理论[J].大学化学,2014,(3).72-77.
[2]朱文涛,邱新平.化学动力学中活化能与反应热和活化焓关系的研究[J].清华大学学报（自然科学版）,2016,(6).23-24.
姓名：刘云贵 出生日期：1984.07 性别：男 籍贯：安徽颍上 学历：本科 职称：中教一级 单位：安徽省太和县第一中学 邮编：236000