“环形”反应机理图与“梯形”能量关系图分析技巧

摘 要：化学反应机理的研究是现代化学科学的基础和核心.本文详细介绍了化学反应机理研究中常用的“环形”反应机理图和“梯形”能量关系图的分析技巧.通过具体实例的解析，展示了如何运用这些技巧来解析复杂的化学反应过程，并强调了掌握这些分析技巧对于学生的重要性，以期为化学教学提供参考和启示.

关键词：化学反应；环形反应；梯形能量；分析技巧

中图分类号：G632"" 文献标识码：A"" 文章编号：1008-0333（2024）34-0127-03

收稿日期：2024-09-05

作者简介：文瑞（1991.1—），男，云南省宣威人，本科，中级职称，从事高中化学教学研究.

在化学反应机理的学习中，高中化学题目常使用“环形”反应机理图和“梯形”能量关系图来描述和解析反应过程，这些图表能够清晰地展示反应的步骤和过渡状态.本文将详细介绍这两种图表的分析技巧，并通过具体实例，展示如何运用这些技巧来解析复杂的化学反应过程.掌握这些分析技巧，对于学生来说具有重要的实际意义.1 “环形”反应机理图分析技巧

“环形”反应机理图分析步骤可分为三步：第一，把握题干信息，判断催化剂，识别反应的起点和终点；第二，把握一个要旨——环上的物质除催化剂外，其余物质均为中间体；第三，同时判断哪些物质会出现在方程式中，找到反应物和生成物，根据“只进不出”和“只出不进”可判断反应物和生成物[1].

例1 Fe（CO）5催化某反应的一种反应机理如图1所示.下列叙述错误的是（" ）.

A.OH-参与了该催化循环

B.该反应可产生清洁燃料H2

C.该反应可消耗温室气体CO2

D.该催化循环中Fe的成键数目发生变化

分析 （1）题目信息：Fe（CO）5催化某反应，从图1看，Fe（CO）5既是起点也是终点，根据以上两点可以判定该物质为催化剂；（2）“环上”的物质除催化剂外，其余为中间体：从反应机理来看，①⑥位于“环上”，且都是在上一步反应生成后，随即在下一

步反应就被消耗，因此①⑥都是中间产物（反应中间体），不会出现在总反应方程式中；（3）找反应物和生成物，注意量的关系：一般“箭头”指入的为反应物，“箭头”指出的为生成物.H2O和CO在反应中都是“只进不出”，因此H2O和CO为总反应的反应物；H2和CO2都是“只出不进”，因此H2和CO2为总反应的生成物；OH-又进又出，为催化剂或反应条件.总反应为H2O+CO催化剂H2+CO2.

解答 分析反应图1可知，OH-有进入的箭头也有出去的箭头，说明OH-参与了该催化循环，故A正确；根据上述分析可知，总反应为，可产生清洁燃料H2，故B正确；从总反应可知，该反应不消耗温室气体CO2，而是生成了温室气体CO2，故C错误；从结构式可知，催化剂Fe（CO）5和①、②、⑤中Fe的成键数目为5，③、④中Fe的成键数目为6，⑥中Fe的成键数目为4，该催化循环中Fe的成键数目发生变化，故D正确[2].

例2 一定条件下Pd-MgO催化剂可实现CO2“甲烷化”，其反应机理如图2所示，下列说法错误的是（ ）.

A.“甲烷化”的总反应为CO2+4H2Pd-MgO一定条件CH4+2H2O

B.“甲烷化”过程中，C的化合价发生了变化

C.图中所示物质为非极性分子的有CH4、CO2、H2

D.CO2分子中不是所有原子的最外层都满足8电子稳定结构

分析 （1）题目信息：Pd-MgO催化剂可实现CO2“甲烷化”，可知Pd与MgO作为反应的催化剂.H2在固体Pd催化剂表面断键变为H原子，参与各个基元反应；（2）“环上”的物质除催化剂外，其余为中间体：从反应机理来看，①⑧位于“环上”，且都是图2 CO2“甲烷化”反应机理在上一步反应生成后，随即在下一步反应就被消耗，因此①⑧都是中间产物（反应中间体），不会出现在总反应中；（3）找反应物和生成物，注意量的关系：一般“箭头”指入的为反应物，“箭头”指出的为生成物.CO2和H2在反应中都是“只进不出”，因此CO2和H2为总反应的反应物；CH4和H2O都是“只出不进”，因此CH4和H2O为总反应的生成物，总反应为CO2+4H2

Pd-MgO一定条件CH4+2H2O.

解答 分析图2可知，总反应为CO2和H2在Pd-MgO催化剂作用下生成CH4和H2O，总反应为CO2+4H2Pd-MgO一定条件CH4+2H2O，故A正确；“甲烷化”过程中，CO2转化为CH4，C的化合价由+4变为-4，发生了变化，故B正确；CH4、CO2、H2的分子空间结构分别为正四面体形、直线形、直线形，分子的正电荷重心与负电荷重心都相重合，都是非极性分子，故C正确；CO2的电子式为：O··∷C∷O··∶，分子中所有原子的最外层都满足8电子稳定结构，故D错误.

2 “梯形”能量关系图分析技巧

分析“梯形”能量关系图时，需要关注以下几个关键点：首先，识别反应物、过渡态和产物在图中的位置，以及它们之间的能量差；其次，观察活化能的大小，以判断反应的速率和可行性；最后，通过比较反应物和产物之间的能量差，判断反应是放热还是吸热[3].

例3 科学家通过密度泛函理论研究甲醇与水蒸气重整制氢反应机理时，得到甲醇在Pd（Ⅲ）表面发生解离时四个路径与相对能量关系，如图3所示，其中附在Pd（Ⅲ）表面的物种用标注.下列说法错误的是（" ）.

A.②中包含C—H键的断裂过程

B.该历程中能垒（反应活化能）最小的是①

C.甲醇在Pd（Ⅲ）表面发生解离的四个路径中，制约反应速率的方程式为CH3OH*CH3O*+H*

D.由此历程可知：CH3OH（g）CO（g）+2H2（g），ΔHgt;0

解答 题目中解离路径与相对能量关系分析如图4所示，CH3O*中共价键为3个C—H键和1个C—O键，CH2O*中共价键为2个C—H键和1个C—O键，则②中由CH3O*→CH2O*包含C—H键的断裂过程，故A正确；反应活化能为过渡态能量与反应物的总能量之差，从图4中可以看出，①的活化能为100 kJ·mol-1，②的活化能为70 kJ·mol-1，③的活化能约为45 kJ·mol-1，④的活化能约为60 kJ·mol-1，⑤的活化能约为195" kJ·mol-1，则③反应活化能最小，故B错误；活化能越大，反应速率越慢，并且决定整个反应的反应速率，可知制约反应速率的即为慢反应，由图4可知，①的活化能最大，发生的反应为CH3OH*→CH3O*+H*，即为慢反应，故C正确；甲醇的相对能量为-40 kJ·mol-1，CO（g）+2H2（g）的相对能量约为50 kJ·mol-1，可知该历程最后能量升高了，反应CH3OH（g）CO（g）+2H2（g）的ΔHgt;0，故D正确.

3 结束语

通过本文的介绍，学生深入了解了“环形”反应机理图和“梯形”能量关系图的分析技巧.通过具体实例的解析，学生更加明确了如何运用这些技巧来解决实际问题.然而，在实际研究中，学生还需不断积累经验，提高自己的分析能力，以便更好地理解和利用这些图表.希望本文能为化学研究者提供一定的参考和启示，推动化学反应机理研究的发展.

参考文献：

［1］孙云，汤伟.2023年全国新课标高考理综化学选择题评析 [J].数理化学习（高中版），2023（10）：57-60.[2] 王芳馨.探析反应机理与理解反应条件：中英高中化学“烯烃与溴的加成反应”内容比较 [J].化学教育（中英文），2022，43（11）：27-30.

[3] 唐隆健.对高中化学增加“反应历程”内容特殊意义的思考 [J].化学教学，2021（10）：87-91.

［责任编辑：季春阳］