第一節 能線圖
碰撞理論回顧

在介紹能線圖之前,我們先來回顧一下碰撞理論的基本概念,以及發生化學反應的要求。仔細觀看右側的影片,選出發生化學反應的必須滿足的條件。

反應物的粒子以任意方向碰撞

反應物的粒子以正確的方向碰撞

反應物的粒子碰撞時,必須具有足夠的動能

反應物的粒子碰撞時,必須具有特定的動能

題解:

  • 反應物的粒子必須以正確的方向相互碰撞,才有可能發生反應;
  • 反應物的粒子碰撞時,必須具有足夠的動能,才能發生反應。
「碰撞理論」與化學反應
能線圖

化學反應進行時,必然涉及能量的變化。如果將反應過程中勢能的變化繪製成圖,來表示一對碰撞分子的能量變化的途徑,就稱為反應的能線圖

仔細觀看右側的影片,了解反應過程中物質和能量的變化,並完成下面的練習。

從能線圖看反應的能量變化
分析能線圖

能線圖 \(1\)

參照下列化學反應:

\[\text{A}-\text{B}\ \text{+}\ \text{C}\ \to \ \text{A}\ \text{+}\ \text{B}-\text{C}\]

根據右圖中所示的化學反應能線圖,以下哪些描述是正確的?

反應的活化能是 \({{E}_{\text{1}}}\)

反應的活化能是 \({{E}_{\text{2}}}\)

物種 \(\text{A}\cdots \text{B}\cdots \text{C}\) 是穩定的中間體

物種 \(\text{A}\cdots \text{B}\cdots \text{C}\) 分解時,不會形成反應物 \(\text{A}-\text{B}\) 和 \(\text{C}\)

反應的焓變是 \({{E}_{\text{3}}}\)

反應是放熱的

題解:

\(\text{A}\cdots \text{B}\cdots \text{C}\) 是舊的化學鍵已經斷裂而新的化學鍵尚未形成時的過渡態,是一個具有高能量的不穩定物種——稱為過渡態活化複體

反應的能線圖 \(1\)

參照下列化學反應:

\[\text{X}\ \text{+}\ \text{Y}-\text{Z}\ \to \ \text{X}-\text{Y}\ \text{+}\ \text{Z}\]

根據右圖中所示的化學反應能線圖,以下哪些描述是正確的?

反應的活化能是 \({{E}_{\text{1}}}\)

反應的活化能是 \({{E}_{\text{2}}}\)

物種 \(\text{X}\cdots \text{Y}\cdots \text{Z}\) 是穩定的物種

物種 \(\text{X}\cdots \text{Y}\cdots \text{Z}\) 可以分解為 \(\text{X}\) 和 \(\text{Y}-\text{Z}\) 或 \(\text{X}-\text{Y}\) 和 \(\text{Z}\)

反應的焓變 \({{E}_{\text{3}}}\) 為正

反應是吸熱的

反應的能線圖 \(2\)

參照下列化學反應:

\[\text{A}-\text{B}\ \text{+}\ \text{C}\ \rightleftharpoons \ \text{A}\ \text{+}\ \text{B}-\text{C}\]

根據右圖中所示的化學反應能線圖,以下哪些描述是正確的?

  1. 正向反應的活化複體是
    • \(\text{A}-\text{B}\ \text{+}\ \text{C}\)
    • \(\text{A}\ \text{+}\ \text{B}-\text{C}\)
    • \(\text{A}\cdots \text{B}\cdots \text{C}\)
      逆向反應的活化複體是
    • \(\text{A}-\text{B}\ \text{+}\ \text{C}\)
    • \(\text{A}\ \text{+}\ \text{B}-\text{C}\)
    • \(\text{A}\cdots \text{B}\cdots \text{C}\)
     
  2. 正向反應的活化能是
    • \({{E}_{\text{1}}}\)
    • \({{E}_{\text{2}}}\)
    • \({{E}_{\text{3}}}\)
      逆向反應的活化能是
    • \({{E}_{\text{1}}}\)
    • \({{E}_{\text{2}}}\)
    • \({{E}_{\text{3}}}\)
     
  3. 正向反應是
    • 放熱
    • 吸熱
    的;反應的焓變是
    • \({{E}_{\text{1}}}\)
    • \(-{{E}_{\text{1}}}\)
    • \({{E}_{\text{2}}}\)
    • \(-{{E}_{\text{2}}}\)
    • \({{E}_{\text{3}}}\)
    • \(-{{E}_{\text{3}}}\)
     
  4. 逆向反應是
    • 放熱
    • 吸熱
    的;反應的焓變是
    • \({{E}_{\text{1}}}\)
    • \(-{{E}_{\text{1}}}\)
    • \({{E}_{\text{2}}}\)
    • \(-{{E}_{\text{2}}}\)
    • \({{E}_{\text{3}}}\)
    • \(-{{E}_{\text{3}}}\)
     
  5. \({{E}_{\text{1}}}\)、\({{E}_{\text{2}}}\) 和 \({{E}_{\text{3}}}\) 三者之間的關係是
    • \({{E}_{1}}\ =\ {{E}_{2}}\ +\ {{E}_{3}}\)
    • \({{E}_{2}}\ =\ {{E}_{1}}\ +\ {{E}_{3}}\)
    • \({{E}_{3}}\ =\ {{E}_{1}}\ +\ {{E}_{2}}\)
     

題解:

通過可逆反應的能線圖,可以看出:

  1. 正向反應和逆向反應的活化複體相同;
  2. 正向反應與逆向反應的焓變互為負數關係。

即:活化能越高,生成活性複體需要吸收的能量就越多,反應就越難發生

反應的能線圖 \(3\)

右圖為四幅等比例繪製的化學反應的能線圖。結合前面所學內容回答下面的問題。

  1. 活化能最高的是
    • (1)
    • (2)
    • (3)
    • (4)
     
  2. 活化能最低的是
    • (1)
    • (2)
    • (3)
    • (4)
     
  3. 放熱反應焓變最高的是
    • (1)
    • (2)
    • (3)
    • (4)
     
  4. 吸熱反應焓變最高的是
    • (1)
    • (2)
    • (3)
    • (4)
     

題解:

由於能線圖可提供一個化學反應的活化能焓變。所以,等比例繪製能線圖時,可比較反應過程中不同階段的能量變化。

反應的能線圖比較
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