师：同学们，今天我们继续学习化学反应速率第三课时——活化能，了解为什么反应条件对化学反应速率有影响。本节课我们要从微观角度了解化学反应是如何进行的，认识简单碰撞理论、过渡态理论，并利用相关知识解释外界条件对化学反应速率的影响。首先思考，化学反应是如何进行的？今天我们从微观角度来探讨。

　　我们先看一组数据，这是室温下不同速率的氧气分子所占的百分比。从数据可知，氧气分子都在以一定速率运动，大多数分子运动速率较快，而运动速率很慢和极快的分子所占百分比都很小。分子运动速率与分子所具有能量大小有关，分子运动速率越大，意味着分子具有的能量越大。所以在室温下，氧气分子中能量很低或很高的分子所占百分比都很少。

　　若把能够相互反应的气体分子放在同一容器中，它们必然也会像氧气分子一样运动，同时还会发生剧烈碰撞。

　　有研究表明，通常情况下，当气体浓度为1摩尔每升时，每立方厘米每秒内，反应物分子间的碰撞可达102?次。如果反应物分子间的任何一次碰撞都能引发反应，反应只需10??秒就能完成，实际上并非如此。

　　我们以碘化氢分解为例，浓度为10?3摩尔每升的碘化氢气体在973K时，分子碰撞次数约为3.5×102?次每升每秒。若每次碰撞都能发生反应，反应速率将达到5.8×10?摩尔每升每秒，但实际速率仅为1.2×10??摩尔每升每秒。

　　我们知道，反应物之间若发生反应，首先要满足反应物分子间能够发生碰撞，即它们能够接触，这只是发生化学反应的必要条件。从材料可见，碘化氢分子间通过碰撞接触的次数虽多，但实际反应速率却远小于每次碰撞都发生反应的速率。由此可知，并不是每一次碰撞都能发生化学反应。把这个结论推广到其他聚集状态，包括气液、气固、液液、液固甚至固固等反应体系，虽然它们之间的碰撞频率不同，但结论一致，并非所有碰撞都能发生化学反应。

　　那么，为什么分子间的碰撞有的能发生化学反应，有的却不能呢？我们来看一幅关于碘化氢分解反应中分子碰撞的示意图。

　　我们看到，图c中碘化氢分子碰撞后产生了氢气和碘自由基，这说明碘化氢分子的碰撞发生了化学反应。我们把能够发生化学反应的碰撞叫做有效碰撞。而图a、b中碘化氢分子的碰撞没有新物质生成，说明没有发生化学反应。研究发现，当碰撞的分子能量不足或者分子间碰撞的取向不合适时，都不能发生有效碰撞，必须满足两个条件：一是发生碰撞的分子具有足够高的能量；二是具有足够高能量的分子碰撞时还有合适的取向，这样的碰撞才能使化学键断裂，从而发生化学反应。这就好比我们打篮球投篮，图c中运动员没提供足够能量，球没落入篮筐；图2中球虽有足够能量，但没有合适取向，球也没落入篮筐；图3中球具有足够能量和合适取向，球落入篮筐。这与发生反应的分子或离子的有效碰撞极为相似。

　　发生有效碰撞的分子必须具有足够能量，这种分子叫做活化分子。在这幅图中，表示了反应物、生成物以及反应进程中能量变化的关系。这里表示反应物分子所具有的平均能量，具有这样能量的分子就是我们说的活化分子。人们将活化分子的能量与反应物的平均能量之差，称之为该反应的活化能。以跳高为例，把跳高场踏板一边看成反应物，海绵垫或沙坑一边看成生成物。如果横杆高两米，人群平均跳高能力是1.2米，那么0.8米的差值就相当于活化能。活化分子至少要有越过两米的能力起跳才可能有效，当然越过横杆时还不能碰落横杆，这就相当于有效分子中的合适取向。

　　实际上，参与化学反应的分子间有效碰撞过程比我们想象的复杂得多。有些反应物分子通过碰撞一步就可直接得到产物，这样的反应叫做基元反应。比如二氧化氮和一氧化碳反应生成一氧化氮和二氧化碳，具有较高能量的二氧化氮分子和一氧化碳分子，在合适取向上，二氧化氮的氧原子与一氧化碳的碳原子碰撞，直接生成了一氧化氮和二氧化碳。

　　我们从微观角度认识化学反应如何发生，就是从分子间碰撞发生基元反应开始研究。发现多数反应物分子并非通过碰撞一步就能发生反应，例如碘化氢的分解。实际上，碘化氢的分解经过下列两步反应完成：碘化氢先分解产生碘自由基和氢自由基，第二步氢自由基结合生成氢分子。

　　这两个先后进行的基元反应序列反映了碘化氢分子的反应历程，又称反应机理。第一步和第二步基元反应的总和成为总反应，即碘化氢生成氢气和碘。又如氢气和氧气生成水，大约要经过12步反应才能完成；氢气和氯气生成氯化氢也要经历多步基元反应才能完成。基元反应的总和称为总反应，也叫复杂反应，它只能表示出最初反应物和最终反应产物以及它们之间的化学计量关系。大部分化学反应一般都要经过若干基元反应才能实现，每一步基元反应的组合就是我们现在书写的总的化学方程式。反应不同，反应历程就不同；同一反应在不同条件下，反应历程也可能不同。反应物的结构和反应条件决定了一个反应的反应历程，反应历程的差别又造成了化学反应速率的不同。

　　而基元反应在反应物到产物的变化过程中要经历一个中间状态，这个状态称之为过渡态。过渡态是一种旧键没有完全断裂、新键没有完全形成的结构状态，是反应过程中具有高能量的一种状态。过渡态能量与反应物的平均能量差值称之为该基元反应的活化能。以氢气和氯气反应所包含的一个基元反应为例，氯自由基与氢气生成氯化氢和氢自由基，该过程经历了一个中间状态。此基元反应是氯自由基和氢气分子碰撞导致氢键断裂、氢氯键形成的过程。研究表明该过程经历了一个中间状态，此时形成了一种旧键没有完全断裂、新键没有完全形成的过渡态，过程如图所示。

　　我们来看一道例题。在基元反应二氧化氮和一氧化碳生成二氧化碳和一氧化氮的进程中，能量变化如下图所示。分析该示意图可知，该基元反应的活化能是134千焦每摩，逆反应的活化能为368千焦每摩。我们不难写出该基元反应的热化学方程式。对于复杂反应的活化能情况就不那么单一了，复杂反应的活化能是通过各基元反应的活化能经数学处理而得到的。我们认识的化学反应大多数是由若干个基元反应组成的。在一系列连续反应中，若其中有一步反应的活化能最大，反应速率最小，它就控制着总反应的化学反应速率，总反应的化学反应速率基本上等于最慢一步的化学反应速率。活化能的大小不仅影响化学反应速率，还与化学反应的难易有关。

　　我们来看下面三个反应，并回顾各自反应条件：盐酸和氢氧化钠反应不需要条件，直接混合几乎瞬间完成，其反应所需活化能只有约20千焦每摩；甲烷和氧气的反应需要点燃条件，活化能为125.6千焦每摩；二氧化硫和氧气的反应需要加热并使用催化剂，活化能为251千焦每摩。由此可见，活化能的大小会影响化学反应所需要的条件。

　　不同的化学反应活化能大小不同，因此化学反应速率不同。从刚才的分析显然可以看出，活化能越高，反应越难发生。那么如何解释外界因素对化学反应速率的影响呢？这也是化学家们十分关注的问题。下面我们通过简单碰撞理论和活化能对这一问题进行讨论。