碰撞理论

IB 化学 HL· 35 分钟阅读

1. 碰撞理论的核心假设★★☆☆☆⏱ 10 min

碰撞理论是为解释反应速率开发的简单动力学模型，最初用于气相反应，但几乎适用于所有反应体系。它对反应条件如何改变速率做出了可检验的预测，与实验观察结果一致。

📘 定义

碰撞理论

将反应速率与反应物粒子之间碰撞的频率和性质联系起来的模型。

例:

它正确预测了对于非催化反应，升高温度总会提高反应速率。

反应发生的前提是反应物粒子必须首先相互碰撞。
只有能量等于或大于反应活化能（ $E_{a}$ ）的碰撞才能引发反应。
碰撞粒子还必须以正确的取向相互靠近，才能断裂旧键、形成新的产物键。

📐 例题

已知反应 $2 H I \to H_{2} + I_{2}$ 的活化能为235 kJ mol⁻¹，指出两个HI分子之间哪次碰撞会发生有效反应：(a) 能量250 kJ mol⁻¹，取向正确，(b) 能量200 kJ mol⁻¹，取向正确，(c) 能量250 kJ mol⁻¹，取向错误

1
回忆有效碰撞的三个条件：发生碰撞、能量≥ $E_{a}$ 、取向正确。
2
评估选项(a)：能量(250 kJ mol⁻¹) > 235 kJ mol⁻¹，取向正确。该碰撞是有效碰撞。
3
评估选项(b)：能量(200 kJ mol⁻¹) < 活化能。即使取向正确，也不会发生反应。
4
评估选项(c)：能量满足要求，但取向错误。无法断键形成产物，因此该碰撞无效。
5
结论：只有碰撞(a)是有效碰撞。

Exam tip:

解释有效碰撞时一定要同时提到能量和取向——阅卷老师要求同时答出这两点才能给满分。

2. 反应条件对速率的影响★★★☆☆⏱ 15 min

碰撞理论可以解释常见反应条件改变如何改变反应速率，这是考试中非常常见的考点。

📘 定义

有效碰撞

满足所有三个要求、能生成新产物分子的碰撞。

📐 例题

恒温下，运用碰撞理论解释为什么增加反应物浓度会提高反应速率。

1
浓度升高意味着反应混合物单位体积内的反应物粒子更多。
2
单位体积内粒子数增加会导致每秒反应物粒子之间的碰撞频率更高。
3
恒温下，能量≥ $E_{a}$ 的碰撞比例保持不变，因此更高的碰撞频率意味着每秒有更多有效碰撞。
4
单位时间内更多有效碰撞对应更高的反应速率。

温度：升高温度的主要影响是，能量≥ $E_{a}$ 的粒子比例大幅增加，导致每秒有更多有效碰撞。碰撞频率也会有小幅增加。
表面积（固体反应物）：将固体破碎成更小颗粒会增加能与其他反应物接触的反应物表面积，提高碰撞频率，从而加快速率。
压强（气体）：增大压强将气体压缩到更小体积，浓度升高，碰撞频率增加，速率加快。

Exam tip:

解释温度影响时，要强调能量≥ $E_{a}$ 的粒子比例的变化，而不仅仅是碰撞增多。比例变化才是主要影响。

3. 催化剂与活化能★★★☆☆⏱ 10 min

催化剂可以提高反应速率且本身不被消耗，其作用很容易用碰撞理论原理解释。

📘 定义

活化能

$E_{a}$

碰撞的反应物粒子发生有效碰撞生成产物必须具备的最低能量。

📐 例题

恒温下，运用碰撞理论解释为什么催化剂能提高反应速率。

1
催化剂不会改变反应物粒子的能量，它只为反应提供了另一种反应机理（途径）。
2
这种替代途径的活化能低于非催化途径：
3
$E_{a(\text{catalyzed})} < E_{a(\text{uncatalyzed})}$
4
在给定温度下，有大得多比例的反应物粒子能量等于或高于这个更低的活化能。
5
这导致每秒有效碰撞的频率升高，因此反应速率提高，温度和总碰撞频率都没有变化。

4. 常见陷阱

错误做法:

声称升高温度会提高活化能

原因:

活化能是反应途径的固有属性，不随温度改变

正确做法:

陈述升高温度会增加能量≥ $E_{a}$ 的粒子比例

错误做法:

解释有效碰撞时忘记提到取向

原因:

大多数IB考试评分标准要求同时答出能量和取向条件才能给满分

正确做法:

始终明确说明有效碰撞同时需要足够能量（≥ $E_{a}$ ）和正确取向

错误做法:

声称催化剂通过提高碰撞频率加快反应

原因:

催化剂不会改变反应物粒子之间的总碰撞次数，只改变反应途径

正确做法:

解释催化剂提供了另一条活化能更低的途径，提高了有效碰撞的比例

错误做法:

声称升高浓度会增加能量≥ $E_{a}$ 的粒子比例

原因:

恒温下，浓度升高时粒子的能量分布不会改变

正确做法:

解释更高浓度提高了碰撞频率，导致每秒有更多有效碰撞

5. 速查表

条件改变	碰撞理论的核心变化	对速率的影响
升高浓度	碰撞频率升高	加快
升高温度	能量≥ $E_{a}$ 的碰撞比例升高	加快
增大表面积	碰撞频率升高	加快
升高压强（气体）	碰撞频率升高	加快
加入催化剂	替代的低 $E_{a}$ 途径	加快

真题中的出现

AI 根据考纲规律估算的考点位置,请对照官方真题核实准确性。仅作复习重点参考。

2022 · Paper 1
解释温度对速率的影响
2023 · Paper 2
通过碰撞理论解释催化剂的作用
2021 · Paper 1
识别有效碰撞的条件

深入阅读

下一步

碰撞理论是IB化学HL中所有后续反应动力学学习的核心基础。接下来你将在此模型基础上学习阿伦尼乌斯方程，该方程定量描述了温度、活化能和速率常数之间的关系。理解碰撞理论对于解读反应剖面图和研究有机反应机理也至关重要，几乎每道动力学考题都会考察它。

→动态平衡
→平衡常数