阿伦尼乌斯根据实验数据发现了反应速率和温度的经验公式。那么就有个问题,式中的Ea是啥?
解释的办法就是参照第一个和它长得一样的方程——麦克斯韦玻耳兹曼分布。Ea显然是一种能量,是一种超出了反应物分子平均能量的能量,给它起个名字叫活化能。
泻药。简单地打个比方吧,碰撞理论大概意思就是具备合适能量的A球和B球撞在一起后变成C球和D球,A球和B球碰撞所需能量就是活化能;而过渡态理论大概意思是A球和B球吸收能量后先结合成AB球,然后AB球再分裂成C球和D球,A球B球结合成AB球所需能量为活化能。
有效碰撞理論主要適用於氣體雙分子反應。碰撞理論有一個論點是分子之間發生反應碰撞是必要條件,但非充分條件,也就是“要反應,先碰撞”。AB兩分子趨近一定距離時,只有那些相向平動能足夠大,達到臨界值E_{c}時,才是有效碰撞。有效碰撞在總碰撞次數中所佔份額f符合Maxwell-Boltzmann分佈律。
由此,E_{c}近似等於E_{a},可以看做能發生有效碰撞的分子對所具有的最低相向平動能
過渡態理論中的活化能則是過渡態與始態位能之差,或者說是活化絡合物具有的最低能量與反應物分子最低能量之差。
以反映2HI\rightarrow H_{2}+2I為例,兩個HI分子碰撞時,兩個H原子接近,H-I鍵伸長,吸收能量,而生成了過渡態化合物。
可靠性加速模型中活化能的深层理解——化学反应速率理论——过渡状态理论简介
过渡状态理论认为:反应物的活化分子相互碰撞时,先形成过渡状态—活化络合分子。活化络合分子的能量高,不稳定,寿命短促(在10~100fs之间),一经形成很快就转变成产物分子。
以反应A+BC ---- AB+C为例。设A为单原子分子,当反应物的活化分子按适当的空间取向进行碰撞,新的A…B键部分形成,而旧的B…C键部分断裂,从而形成了活化络合分子A…B…C。能量高又不稳定的活化络合分子很快转化为产物分子,使体系能量降低。其过程是
整个过程的能量变化如图1所示。在图1中,E为活化络合分子的势能,E1和E2分别为基态反应物的势能和基态生成物的势能,Ea(+)和Ea(-)分别表示活化络合分子与基态反应物(A+BC)分子、基态生成物(AB+C)分子的势能差。在过渡状态理论中,活化能是基态反应物(A+BC)分子或基态生成物(AB+C)分子与活化络合分子(A…B…C)的能差,其实质是{\color{red}{\large基态反应物分子变成活化络合分子所必须获得的能量。}}
过渡状态理论为认识化学反应奠定了理论基础。在过去的几十年里,化学家们一直在通过各种方法试图直接观察到过渡态,以求对化学反应有一个全面深入的了解。
20世纪50年代,科学家们用快速动力学方法,可分辨出1/1000s(ms)的化学中间体。
20世纪60年代,又采用了分子束技术来探索分子碰撞的动态过程,实现了对单个分子碰撞过程的研究,但仍只是停留在对成分进行分析的水平上。
到了20世纪80年代中期,超短激光脉冲和分子束技术的结合应用制成了分子“照相机”,其分辨力可达6fs(即使是每秒飞行30万千米的真空中的光,在一飞秒内,也只能走300纳米),大大地小于分子的振动周期,使得跟踪化学反应的过程成为现实,人们终于可以直接观察到过渡状态,并以此为基础,形成了一门新的学科—飞秒化学。它是以飞秒为时标来研究化学反应的过程,对研究化学键的断裂和形成是非常有用的。
例如,C2I2F4分子中有两个相同的C—I键,但在进行化学反应的过程中,C—I键的断裂却是分步进行的,通过飞秒化学对反应的研究可以得到证实。AG平台真人 真人AG 平台官网研究表明,第一个C—I键在不到0.5ps(皮秒)时间内断裂,而第二个C—I键则需要50ps以上的时间才能断裂。由此可见,飞秒化学学科的形成和发展使人们真正从微观层次上研究化学反应的过程,极大地更新、AG平台真人 真人AG 平台官网深化和丰富了人们对化学反应过程的认识,从而有效控制化学反应,并能通过激光对分子进行选键分解(即分子剪裁),因此,飞秒化学对化学、物理、生命科学以及材料科学等领域的研究和应用都具有十分重要的意义。
在这一领域中,美籍华裔科学家李远哲和哈佛大学的赫希巴哈(D.R.Herschbach)及多伦多大学的波拉尼(J.C.Polang),因用交叉分子束技术对分子反应动力学的研究做出了重大的贡献,荣获1986年诺贝尔化学奖。美国加州理工学院的泽外尔(A.H.Zewail)又因在飞秒化学上的杰出成就荣获1999年诺贝尔化学奖。AG真人 AG平台AG真人 AG平台AG真人 AG平台