学习指南

活化能

IB 化学 SL· 35 分钟阅读

1. 活化能的定义与物理意义★★☆☆☆⏱ 10 min

📘 定义

活化能

EaE_a

碰撞的反应物粒子要形成活化络合物并进一步生成产物，必须具备的最低总动能。

例:

对于氢气和氧气的反应，Eₐ ≈ 25 kJ mol⁻¹，因此火花提供的能量足以引发反应。

活化能存在的原因是：在产物形成新化学键之前，必须先断裂反应物中的化学键。断键需要输入能量，因此即使是放热反应，也必须克服这个最低能阈。

📐 例题

解释为什么活化能始终为正，并描述如何在吸热反应的反应能级图中标出活化能。

  1. 1

    画出反应能级图，反应物的焓低于产物，两者之间有一个峰值（能峰）代表活化络合物。

  2. 2

    活化能是反应物焓能级与能峰顶点之间的垂直差值：

  3. 3
    Ea=Hactivated complex−HreactantsE_a = H_{\text{activated complex}} - H_{\text{reactants}}
  4. 4

    活化能始终为正，因为断裂反应物化学键始终需要能量，因此活化络合物的焓始终高于反应物。

Exam tip:

始终从反应物能量线开始标注Eₐ，而非产物能量线，即使是放热反应也一样。

2. 活化能与阿伦尼乌斯方程★★★☆☆⏱ 15 min

✓ 计算器

阿伦尼乌斯方程将反应的速率常数 与活化能 和绝对温度 联系起来。IB数据手册中提供了该方程，因此你不需要背诵它。

k=Ae−EaRTk = A e^{-\frac{E_a}{RT}}

要从实验数据计算 ，方程可重排为线性形式 用于绘图：

ln⁡k=−EaR(1T)+ln⁡A\ln k = -\frac{E_a}{R} \left(\frac{1}{T}\right) + \ln A

以 对 作图得到一条直线，其斜率等于 。

📐 例题

以 对 （单位K⁻¹）作阿伦尼乌斯图，得到斜率为 K。计算 ，单位为kJ mol⁻¹。

  1. 1

    利用斜率关系 ，重排线性方程求解 ：

  2. 2
    Ea=−m×RE_a = -m \times R
  3. 3

    代入数值： K， J K⁻¹ mol⁻¹：

  4. 4
    Ea=−(−1.20×104)×8.31=99720 J mol−1E_a = -(-1.20 \times 10^4) \times 8.31 = 99720 \text{ J mol}^{-1}
  5. 5

    除以1000转换为kJ mol⁻¹：

  6. 6
    Ea=100 kJ mol−1 (3 significant figures)E_a = 100 \text{ kJ mol}^{-1} \text{ (3 significant figures)}

3. 温度与催化剂的影响★★☆☆☆⏱ 12 min

催化剂通过提供不同于原反应的反应机理（不同反应路径），该路径的活化能低于非催化反应，因此提高反应速率。更低的Eₐ意味着更多粒子有足够能量发生反应，因此速率提高。

📐 例题

在同一张反应能级图上比较催化和非催化放热反应的活化能。

  1. 1

    画出反应物焓高于产物的能级图，符合放热反应的特征。

  2. 2

    画出非催化反应更高更宽的能峰，催化反应则是更低的能峰（不同路径，更低Eₐ）。两者都从反应物能量开始，到产物能量结束。

  3. 3

    从反应物到更高的峰标注Ea(uncatalyzed)，从反应物到更低的峰标注Ea(catalyzed)，可以看出 。两种路径的总焓变 ΔH 完全相同。

Exam tip:

催化剂永远不会改变反应的总焓变 ΔH，只会改变活化能。

4. 活化能与麦克斯韦-玻尔兹曼分布★★★☆☆⏱ 8 min

麦克斯韦-玻尔兹曼分布显示了给定温度下反应物粒子的动能分布。曲线中Eₐ阈值右侧的面积等于具有足够能量发生有效反应的粒子占比。

✓ 快速检测

  1. 以下哪种变化会降低反应的活化能？

    • A. 升高温度

    • B. 加入催化剂

    • C. 提高反应物浓度

    • D. 增大压强

    显示答案
    B —

    升高温度、浓度和压强都会通过增加能量≥Eₐ的碰撞占比提高反应速率，但不会改变Eₐ阈值本身。只有催化剂能提供另一条活化能更低的反应路径。

5. 常见陷阱

错误做法:

从产物能级线向反应能级图的峰值标注活化能

原因:

活化能是反应物形成活化络合物所需的能量，因此必须从反应物开始测量

正确做法:

始终从反应物能级向反应能级图的峰值测量并标注Eₐ。

错误做法:

声称升高温度会降低活化能

原因:

温度不会改变反应的能阈，只会改变满足阈值的粒子数量

正确做法:

应当说明：升高温度会增加能量≥Eₐ的粒子占比，提高反应速率，而Eₐ保持不变。

错误做法:

在阿伦尼乌斯计算中忘记将Eₐ从J转换为kJ

原因:

R的单位是J K⁻¹ mol⁻¹，因此初始计算得到的Eₐ单位为J，但考试题几乎都要求单位为kJ

正确做法:

在写出最终答案前，始终将计算得到的Eₐ除以1000，从J mol⁻¹转换为kJ mol⁻¹。

错误做法:

声称催化剂会改变反应的总焓变

原因:

催化剂只改变反应路径，不改变反应物的初始能量和产物的最终能量

正确做法:

应当说明：催化反应和非催化反应的ΔH完全相同；只有催化路径的活化能更低。

错误做法:

阿伦尼乌斯图计算中使用 ，而非

原因:

ln k对1/T作图的斜率为负，因此忘记负号会得到物理上不可能的负活化能

正确做法:

使用 ，因此负斜率会得到物理上合理的正Eₐ。

6. 速查表

概念

核心要点

标准单位

活化能 ()

有效反应所需的最低能量

kJ mol⁻¹

阿伦尼乌斯线性形式

n/a

温度的影响

No change to ; increases fraction of particles ≥

n/a

Effect of Catalyst

Alternative lower pathway; unchanged

n/a

Arrhenius Plot Calculation

J mol⁻¹ (convert to kJ)

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 · 1

    从反应能级图中识别Eₐ

  • 2021 · 2

    从阿伦尼乌斯图的斜率计算Eₐ

  • 2023 · 1

    催化剂对活化能的影响

深入阅读

下一步

活化能是IB SL化学所有动力学主题的核心基础概念，在试卷1和试卷2考试中都经常考查。掌握反应能级图的解读和从阿伦尼乌斯图计算Eₐ，能帮助你应对更复杂的动力学问题，包括催化和反应机理相关问题。本主题还与焓变和碰撞理论紧密相关，因此结合这些概念复习活化能，能帮助你建立对化学反应性的连贯理解。