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活化能与阿伦尼乌斯定律

在碰撞模型中改变温度、活化能、催化剂和浓度,提取速率对温度的指数敏感性。

三维碰撞室:粒子四处运动;只有越过能垒的粒子才反应,以颜色闪烁表示。

目标

利用 ln⁡k=ln⁡A−Ea/RT\ln k = \ln A - E_a/RT 比较两个温度下的速率以估算活化能,并观察催化剂如何降低有效能垒。

仪器与试剂

带有温度 T、活化能 Ea、催化剂和相对浓度滑块的虚拟碰撞室。

步骤

  1. 固定 Ea = 60 kJ/mol、conc = 50;分别统计 T = 300 K 和 350 K 时的有效碰撞数。
  2. 计算 k₂/k₁ 并由 ln⁡(k2/k1)=−EaR(1T2−1T1)\ln(k_2/k_1)=-\frac{E_a}{R}\left(\frac1{T_2}-\frac1{T_1}\right) 解出 Ea;与设定值比较。
  3. 将浓度加倍,验证速率与碰撞频率成正比。
  4. 切换催化剂,描述在 T 和浓度不变时速率的提升。

观察要点

  • 温度升高数十开尔文,越过能垒的碰撞比例远超比例式增长——即指数形式的玻尔兹曼因子。
  • 催化剂通过提供低能垒途径加快速率:温度和浓度不变时,反应性碰撞数仍增加。

讲解

只有能量超过 EaE_a 的碰撞才会反应;麦克斯韦–玻尔兹曼分布使该比例正比于 e−Ea/RTe^{-E_a/RT},因此 k=Ae−Ea/RTk = A e^{-E_a/RT}。这就是室温附近升温约 10 K 常使速率加倍、且高 EaE_a 反应对温度更敏感的原因。

实验史话

斯万特·阿伦尼乌斯于 1889 年将速率定律写成指数形式,推广了范特霍夫的工作;后来亨利·艾林的过渡态理论把 EaE_a 建立在势能面上。

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虚拟实验是帮助建立直觉的简化模型,不能替代真实实验和安全培训;没有指导请勿在家自行重复。