SPM化学：怎样解释活化能

活化能是把整个反应速率这一章串起来的概念。把它弄清楚，碰撞理论一下子就说得通了；让它含糊，每一个速率解释都像在猜。

这篇指南给你一个准确的定义，教你怎样读和画能量图，并解释温度和催化剂究竟怎样利用活化能来改变速率，这两个效应是考官考得最多的。

定义，一字不差

活化能（Ea）是相碰的粒子为了发生反应所必须具有的最小能量。 就要这样一字不差地说。

会让你丢分的说法是「最小能量」，不是「所需的能量」，不是「一些能量」，而是最小。你可以在我们的活化能术语条目里复习准确措辞。

为什么会存在一个最小值？因为粒子反应时，必须先打断已有的化学键，新键才能形成，而打断化学键是要消耗能量的。

一次没有提供至少活化能那么多能量的碰撞，只会把粒子原样弹开。只有能量等于或大于Ea、并且取向正确的碰撞，才是导致反应的有效碰撞。

活化能在哪里：能量图

能量图（或能级图）是你必须会画的那张图。纵轴是能量，反应的进程从左到右：

• 左边，一条水平线标出反应物的能量。
• 在线升到一个峰，峰顶代表能量最高的排列，有时叫活化络合物或过渡态。
• 线随后下降到生成物的水平线。

从这张图上读出两个量：

• 活化能（Ea） 是从反应物的水平往上到峰顶的高度。它永远是从反应物量起，而不是从图的底部量起。
• 反应热（ΔH） 是生成物水平与反应物水平之间的差。

对于放热反应，生成物比反应物低，ΔH为负，热量释放到周围。对于吸热反应，生成物比反应物高，ΔH为正，热量被吸收。

两种情况里，曲线都要先翻过同一座活化能的山，一个反应总体上可以是放热的，却仍然需要输入能量才能启动，这正是火柴要先擦一下才会烧起来的原因。

温度怎样利用活化能

在更高的温度下，粒子获得更多动能，运动得更快。随之有两件事。

第一，它们碰撞得更频繁。更重要的是，现在有更大比例的粒子具有等于或大于活化能的能量，所以有效碰撞所占的比例大得多。

有效碰撞的频率急剧上升，速率随之上升。

这就是温度与浓度、表面积的关键区别。那些因素只让碰撞更频繁；它们不改变能翻过活化能这座山的粒子比例。

温度两者都做，而且第二个效应是主导的。这就是为什么温度即使只升高一点点，速率也可能大幅跳升。

催化剂怎样利用活化能

催化剂提供一条活化能更低的替代反应路径。 在能量图上，你在原来的峰下面画出第二个更低的峰；反应物和生成物的水平线完全保持原位。

因为活化能现在更低了，在同样的温度下有更大比例的相碰粒子具有足够能量去反应。有效碰撞的频率增加，速率上升。

考官坚持要的两点：

• 催化剂不改变ΔH。反应物和生成物的水平线没变，所以有没有催化剂，反应热都一样，变的只有那座山的高度。
• 催化剂在反应中不被消耗；反应结束时它可以化学性质不变地回收。

你可以在催化剂影响的实验里看到这一点，二氧化锰(IV)加快过氧化氢的分解，自己却没有被消耗。

快速记住四个因素的方法

• 浓度、表面积、（气体的）压力 → 只让碰撞更频繁。
• 温度 → 碰撞更频繁，而且更大比例的粒子超过活化能。
• 催化剂 → 降低活化能，让更大比例的粒子能够反应。

只有温度和催化剂直接触及活化能这条线索，而它们正是考试最常要你把它们接回活化能上的两个。

要避开的常见错误

• 从图的底部量Ea。 它永远是从反应物水平量到峰顶。
• 说催化剂「给粒子更多能量」。 并没有；它降低所需的能量。
• 声称催化剂改变反应热。 ΔH不变，变的只有Ea。
• 定义里漏掉「最小」。 就这一个词决定那一分。

小结

活化能是相碰粒子为了反应所需的最小能量，在能量图上画成一座山，从反应物水平量到峰顶。温度提高速率，主要是靠把更多粒子推过那座山；催化剂则是降低那座山本身，同时不动ΔH。

掌握定义、图形和这两个机制，整章速率就到位了。如果在考试压力下画能量图、标注能量图是你出错的地方，老师可以一行一行帮你检查。

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