“環形”反應機理圖與“梯形”能量關系圖分析技巧

摘 要：化學反應機理的研究是現代化學科學的基礎和核心.本文詳細介紹了化學反應機理研究中常用的“環形”反應機理圖和“梯形”能量關系圖的分析技巧.通過具體實例的解析，展示了如何運用這些技巧來解析復雜的化學反應過程，并強調了掌握這些分析技巧對于學生的重要性，以期為化學教學提供參考和啟示.

關鍵詞：化學反應；環形反應；梯形能量；分析技巧

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2024）34-0127-03

收稿日期：2024-09-05

作者簡介：文瑞（1991.1—），男，云南省宣威人，本科，中級職稱，從事高中化學教學研究.

在化學反應機理的學習中，高中化學題目常使用“環形”反應機理圖和“梯形”能量關系圖來描述和解析反應過程，這些圖表能夠清晰地展示反應的步驟和過渡狀態.本文將詳細介紹這兩種圖表的分析技巧，并通過具體實例，展示如何運用這些技巧來解析復雜的化學反應過程.掌握這些分析技巧，對于學生來說具有重要的實際意義.1 “環形”反應機理圖分析技巧

“環形”反應機理圖分析步驟可分為三步：第一，把握題干信息，判斷催化劑，識別反應的起點和終點；第二，把握一個要旨——環上的物質除催化劑外，其余物質均為中間體；第三，同時判斷哪些物質會出現在方程式中，找到反應物和生成物，根據“只進不出”和“只出不進”可判斷反應物和生成物[1].

例1 Fe（CO）5催化某反應的一種反應機理如圖1所示.下列敘述錯誤的是（" ）.

A.OH-參與了該催化循環

B.該反應可產生清潔燃料H2

C.該反應可消耗溫室氣體CO2

D.該催化循環中Fe的成鍵數目發生變化

分析 （1）題目信息：Fe（CO）5催化某反應，從圖1看，Fe（CO）5既是起點也是終點，根據以上兩點可以判定該物質為催化劑；（2）“環上”的物質除催化劑外，其余為中間體：從反應機理來看，①⑥位于“環上”，且都是在上一步反應生成后，隨即在下一

步反應就被消耗，因此①⑥都是中間產物（反應中間體），不會出現在總反應方程式中；（3）找反應物和生成物，注意量的關系：一般“箭頭”指入的為反應物，“箭頭”指出的為生成物.H2O和CO在反應中都是“只進不出”，因此H2O和CO為總反應的反應物；H2和CO2都是“只出不進”，因此H2和CO2為總反應的生成物；OH-又進又出，為催化劑或反應條件.總反應為H2O+CO催化劑H2+CO2.

解答 分析反應圖1可知，OH-有進入的箭頭也有出去的箭頭，說明OH-參與了該催化循環，故A正確；根據上述分析可知，總反應為，可產生清潔燃料H2，故B正確；從總反應可知，該反應不消耗溫室氣體CO2，而是生成了溫室氣體CO2，故C錯誤；從結構式可知，催化劑Fe（CO）5和①、②、⑤中Fe的成鍵數目為5，③、④中Fe的成鍵數目為6，⑥中Fe的成鍵數目為4，該催化循環中Fe的成鍵數目發生變化，故D正確[2].

例2 一定條件下Pd-MgO催化劑可實現CO2“甲烷化”，其反應機理如圖2所示，下列說法錯誤的是（ ）.

A.“甲烷化”的總反應為CO2+4H2Pd-MgO一定條件CH4+2H2O

B.“甲烷化”過程中，C的化合價發生了變化

C.圖中所示物質為非極性分子的有CH4、CO2、H2

D.CO2分子中不是所有原子的最外層都滿足8電子穩定結構

分析 （1）題目信息：Pd-MgO催化劑可實現CO2“甲烷化”，可知Pd與MgO作為反應的催化劑.H2在固體Pd催化劑表面斷鍵變為H原子，參與各個基元反應；（2）“環上”的物質除催化劑外，其余為中間體：從反應機理來看，①⑧位于“環上”，且都是圖2 CO2“甲烷化”反應機理在上一步反應生成后，隨即在下一步反應就被消耗，因此①⑧都是中間產物（反應中間體），不會出現在總反應中；（3）找反應物和生成物，注意量的關系：一般“箭頭”指入的為反應物，“箭頭”指出的為生成物.CO2和H2在反應中都是“只進不出”，因此CO2和H2為總反應的反應物；CH4和H2O都是“只出不進”，因此CH4和H2O為總反應的生成物，總反應為CO2+4H2

Pd-MgO一定條件CH4+2H2O.

解答 分析圖2可知，總反應為CO2和H2在Pd-MgO催化劑作用下生成CH4和H2O，總反應為CO2+4H2Pd-MgO一定條件CH4+2H2O，故A正確；“甲烷化”過程中，CO2轉化為CH4，C的化合價由+4變為-4，發生了變化，故B正確；CH4、CO2、H2的分子空間結構分別為正四面體形、直線形、直線形，分子的正電荷重心與負電荷重心都相重合，都是非極性分子，故C正確；CO2的電子式為：O··∷C∷O··∶，分子中所有原子的最外層都滿足8電子穩定結構，故D錯誤.

2 “梯形”能量關系圖分析技巧

分析“梯形”能量關系圖時，需要關注以下幾個關鍵點：首先，識別反應物、過渡態和產物在圖中的位置，以及它們之間的能量差；其次，觀察活化能的大小，以判斷反應的速率和可行性；最后，通過比較反應物和產物之間的能量差，判斷反應是放熱還是吸熱[3].

例3 科學家通過密度泛函理論研究甲醇與水蒸氣重整制氫反應機理時，得到甲醇在Pd（Ⅲ）表面發生解離時四個路徑與相對能量關系，如圖3所示，其中附在Pd（Ⅲ）表面的物種用標注.下列說法錯誤的是（" ）.

A.②中包含C—H鍵的斷裂過程

B.該歷程中能壘（反應活化能）最小的是①

C.甲醇在Pd（Ⅲ）表面發生解離的四個路徑中，制約反應速率的方程式為CH3OH*CH3O*+H*

D.由此歷程可知：CH3OH（g）CO（g）+2H2（g），ΔHgt;0

解答 題目中解離路徑與相對能量關系分析如圖4所示，CH3O*中共價鍵為3個C—H鍵和1個C—O鍵，CH2O*中共價鍵為2個C—H鍵和1個C—O鍵，則②中由CH3O*→CH2O*包含C—H鍵的斷裂過程，故A正確；反應活化能為過渡態能量與反應物的總能量之差，從圖4中可以看出，①的活化能為100 kJ·mol-1，②的活化能為70 kJ·mol-1，③的活化能約為45 kJ·mol-1，④的活化能約為60 kJ·mol-1，⑤的活化能約為195" kJ·mol-1，則③反應活化能最小，故B錯誤；活化能越大，反應速率越慢，并且決定整個反應的反應速率，可知制約反應速率的即為慢反應，由圖4可知，①的活化能最大，發生的反應為CH3OH*→CH3O*+H*，即為慢反應，故C正確；甲醇的相對能量為-40 kJ·mol-1，CO（g）+2H2（g）的相對能量約為50 kJ·mol-1，可知該歷程最后能量升高了，反應CH3OH（g）CO（g）+2H2（g）的ΔHgt;0，故D正確.

3 結束語

通過本文的介紹，學生深入了解了“環形”反應機理圖和“梯形”能量關系圖的分析技巧.通過具體實例的解析，學生更加明確了如何運用這些技巧來解決實際問題.然而，在實際研究中，學生還需不斷積累經驗，提高自己的分析能力，以便更好地理解和利用這些圖表.希望本文能為化學研究者提供一定的參考和啟示，推動化學反應機理研究的發展.

參考文獻：

［1］孫云，湯偉.2023年全國新課標高考理綜化學選擇題評析 [J].數理化學習（高中版），2023（10）：57-60.[2] 王芳馨.探析反應機理與理解反應條件：中英高中化學“烯烴與溴的加成反應”內容比較 [J].化學教育（中英文），2022，43（11）：27-30.

[3] 唐隆健.對高中化學增加“反應歷程”內容特殊意義的思考 [J].化學教學，2021（10）：87-91.

［責任編輯：季春陽］