谢邀。这个问题非常具有启发性。也就是说,这个问题既可以从很简单的层面来回答,又可以深入地挖掘下去。
简单说来,所谓的“活化能”是分子能级之间的能量差。如果忽略掉吉布斯自由能G和内能E的区别,那这个活化能就是基态构象和过渡态构象之间的能量差E_a。这个能量差是两个确定的微观能级之间的能量差,当然并不受宏观的温度的影响。这个问题就这样解释完了。
但是,如果细想一下,温度影响了分子的平均动能,却又不影响能级,那温度影响的到底是什么呢?一定要理解,温度严格而言是一个宏观的、统计的概念,所谓“温度代表分子平均动能”之类的说法都是模糊的、帮助理解的用法(难道负温度态物质的平均动能就是负的了么?)。所以,回归定义后我们可以知道,温度不影响、不表征微观能级的能量差,它表征的是分子在不同能级之间的分布概率。假如基态构象和过渡态构象的能量差别是E_a,那么有波兹曼分布可知,处于过渡态的分子数目与基态分子数目的比值就是e^{-\frac{E_a}{k_B T}}。考虑一个只有基态和过渡态的二能级简化模型,其中处于过渡态的分子单位时间内转化为产物的概率为A,基态转化为产物的概率为0,那么产物初始浓度一定时其反应速率就与过渡态分子数占总分子数的比例有关,也就是
从上面的推导可以看出,阿伦尼乌斯公式要比较严格的成立需要满足一定的条件。当然了,你可以争辩说,上面的推导无法导出阿伦尼乌斯公式成立的必要条件,也许不需要近似就能得到阿式公式呢?实际上,因为化学是一门实验科学,而我们确实观察到大量反应的温度依赖并不符合阿伦尼乌斯公式,所以不需要从理论上证明就知道,阿伦尼乌斯公式只是近似公式。那么,题主的问题也可以从另外一个方面回答:活化能本身就是一个唯象模型中的参数,我们只在那些温度依赖符合阿伦尼乌斯公式的化学反应中讨论活化能,那么根据定义,它就不是温度依赖的。不过在这种纯“唯象”的讨论中,活化能的物理意义就有些模糊了。
最后,有时化学反应速率的温度依赖甚至都不是单调的。这时候就根本没法定义一个“全局”的活化能。虽然一般的本科物化教科书也会提到阿伦尼乌斯公式不一定成立,但是似乎很少讨论不成立时的微观模型。温度升高,催化剂(比如酶之类)失活之类的情况那是改变反应历程的开挂式变化了。其实用一个简单的三能级模型就能大体模拟出一些复杂变化。具体说来,我们只需要在导出阿伦尼乌斯公式的二能级模型中加上一个能量更高一点的能级,其能量相对于基态为E_b (E_b E_a),然后做以下几点(并不是完全相互独立的)假设:
那么求k的温度依赖问题就转化成了求E_a能级的布局数(或者处于过渡态的分子数目占分子总数比例)f(E_a)的随温度变化的问题。这对于正则系综很简单:
接下来的关键是,我们假设g_b \gg g_a=g_0。这也并非完全无厘头。比如说,分子某一部分的振动自由度在E_b之下就完全处于基态而“冻结”了,而这个分子在E_b时所能激发的100个简正振动模式的第一激发态能量都一样,那g_b/g_a就可能非常大。然后随便带入几个数用这个模型算下,就能得到如下图的f(E_a)\sim T曲线:
如此一来,对这样一个简单的三能级体系(只用到了g_b/g_a,E_a,E_b三个独立参数),就已经完全无法定义全局的活化能了。一定要讨论活化能,只能在某个温度及其附近定义一个“局部活化能”。所以一定要纠结于活化能是不是随温度变化,那只能看语境,看这个活化能到底是在什么模型中定义的。
其定义Ea=RT^2*dlnk/dT,是直接由反应速率常数决定的,反应速率常数源自质量作用定律这个唯象定律,所以活化能自然也是唯象的,并无实际物理意义,AG平台真人 真人AG 平台官网只是拟合反应速率常数随温度变化用的参数
如果反应速率常数的温度曲线不是Boltzmann因子exp(-E/kT)型的,活化能自然也不是定值,实际上这种情况是普遍的
但是在不同的反应速率理论中,可以推出反应速率的公式,活化能可以和一个有实际物理意义的量相联系,举两个例子
在简单碰撞理论模型的近似下,活化能Ea=Ec+1/2RT,其中Ec的含义是能发生反应的分子碰撞相对动能的最小值,也叫阈能,显然阈能是和分子自身性质有关和温度没有关系,自然活化能Ea就和温度成线RT这个数一般不大,所以近似看成和温度无关也可以
在过渡态理论的近似下,活化能Ea=ΔG≠+RT,其中ΔG≠是活化络合物≠和反应物分子的G之差。这个理论中用到了微观可逆性原理,也就是活化物≠和反应物近似成平衡,有近似的平衡常数K≠=Q≠/QAQB,Q是分子A,B和≠的配分函数,其中Q≠去掉了反应坐标那一维度,不难理解温度改变会改变这个平衡,反应物能量和≠能量都有改变
温度升高的时候,分子平均动能提高了,这没错。温度本来就是个分子运动动能的标尺。升高温度后,反应通常变的更容易,通俗的来讲,是因为能够反应的分子数目变多了,比例变大了。而不是说所有分子的能量离反应能垒都更近了。
分子平均动能提高,其实是有更多的分子达到了“活化”(动能或者内能,视情况而定)。这相当于我说企业平均收入提高了一倍。其实也许只是管理层收入提高了几倍,小职员收入没变。并不代表所有人收入都提高了两倍。对于分子,一个体系中的分子,每个分子的能量都不一定相同,有些能量高有些能量低。有些分子是呆在基态,有些分子由于碰撞等其他原因,能量就比别的高一些。如果温度特别低,可能所有分子都处于基态的情况。升高温度的本质是平均而言分子能量更高了。但是具体每个分子能量变多变少则要具体分析。
活化能如果定义为基态和过渡态(可以理解为反应能垒上那个峰的顶端,跨过去就发生反应)的话,那么升高温度的结果是使得更多分子的能量更远离基态,更接近过渡态能量,但是两个能级之间的差距一直那么大,不变。但是如果按照Tolman的活化能定义的话,是活化分子平均能量和全体分子平均能量的差值,这个活化能其实确实是和温度有关的。在一定温度范围内可能表现为常数罢了。
温度升高,中间过渡态的平均动能也增加。内能U=原子核 电子 平动 转动 振动能量之和。U随温度变化不是特别大,吉布斯自由能G=U+PV-TS
首先,AG平台真人 真人AG 平台官网活化能是指:分子从常态转变为容易发生『化学反应的活跃状态』所需要的能量称为活化能。
通俗来讲,能发生『化学反应的活跃状态』其实可以理解为一个「标准线」。能过这个标准线,分子才能发生有效碰撞,从而发生反应。
升高温度,并不能改变这个标准线。升高温度(即使分子吸收能量变高),能使单位体积内的活化分子数增多
而加酶,则改变反应的途径,降低这个标准线,从而使单位体积内的活化分子数增多
回答这些个问题真的好累,多看看教科书,教科书不详细的话,挑本好的课外辅导书看看吧。好好加油哟!AG真人 AG平台AG真人 AG平台AG真人 AG平台