關於此實驗
分子只有在發生碰撞時才能反應，而大多數碰撞都太輕微，不足以斷開化學鍵。在這個盒子中，藍色的 A 分子和紫色的 B 分子四處飛動並互相彈開。當 A 與 B 碰撞時，如果沿著兩者中心連線方向的能量至少達到活化能，它們就會轉變為綠色產物。提高濃度或溫度，或加入催化劑，觀察產物數量如何因不同原因而增長得更快。
學習目標
- 說明粒子必須以至少達到活化能的能量發生碰撞才能反應
- 說明濃度升高為何會提高反應速率：每秒發生的碰撞更多
- 解釋為什麼溫度升高主要會使反應速率加快：因為具有足夠能量的碰撞所占比例增加了。
- 描述催化劑如何提供一條活化能較低的反應途徑。
- 根據生成物數量隨時間變化圖的斜率讀出反應速率。
使用方法
- 1使用預設設定按下「執行」。觀察生成物形成圖。圖線在開始時還是結束時最陡？為什麼？
- 2將濃度提高到每種分子70個。將新曲線與上次執行的虛線進行比較。
- 3將分子數調回40個，並將溫度升至400 K。查看能量直方圖：現在有多大一部分位於Ea右側？
- 4比較300 K和400 K時成功的A-B碰撞所占比例與預測值 e^(-Ea/RT)。
- 5將溫度調回300 K，並將活化能提高到10 kJ/mol。初始反應速率有什麼變化？
- 6開啟催化劑。能量圖中的哪條線會移動？直方圖本身會改變嗎？
模型
假設
- 分子是質量相同的硬圓盤，在二維空間中運動。分子彼此之間以及分子與壁面之間的碰撞都是完全彈性的。
- A 分子與 B 分子碰撞時，若沿連心線方向的相對運動動能至少達到 Ea，就會發生反應。產物以相同的速度繼續運動，因此能量守恆，反應既不放熱也不吸熱。
- 催化劑將活化能減半。圖中沒有把它畫成一個表面；它只改變反應所需的能量。
- 每次執行都從相同的初始位置和速度開始，因此設定相同就總會得到相同的結果。由於分子數量很少，測得的成功碰撞比例會在預測值附近波動。
- 能量的單位是 kJ/mol，時間採用模型中的任意單位。
在課堂上試試這個實驗
- Q1為什麼隨著時間推移，生成物曲線的斜率會變得越來越小？
- Q2將A和B分子的數量都增加一倍，會使A-B碰撞的頻率大約增加到四倍。為什麼是四倍而不是兩倍？
- Q3催化劑不會在反應中被消耗。為什麼它仍能加快反應？
- Q4為什麼食物和藥品放在冰箱裡能保存更久？
- Q5鎂粉與酸的反應速度比鎂帶快。碰撞理論中的哪個觀點可以解釋這一點？
常見問題
為什麼能量分布的形狀與教科書中的鐘形曲線不同？
在二維情況下，能量為E的分子所占比例呈指數衰減，因此曲線在零處達到最高點。在三維情況下，曲線從零開始，先上升再下降。兩種情況下，超過Ea的尾部變化方式相同，而決定反應速率的正是這部分。
催化劑會給分子提供更多能量嗎？
不會。加入催化劑後，直方圖維持不變。只有活化能線向左移動，因此已經發生的碰撞中，有更多碰撞具有足以發生反應的能量。
反應速率和分子的速度一樣嗎？
不一樣。反應速率表示每秒發生反應的分子數量。分子移動得更快時，碰撞會稍微頻繁一些，但溫度的主要影響是讓具有足夠能量的碰撞大幅增加。
為什麼成功碰撞所占的比例與預測值不完全一致？
一次執行中，A和B之間只有幾百次碰撞，因此次數會像真實實驗一樣存在隨機波動。增加分子數量並延長執行時間後，測得的比例會更接近 e^(-Ea/RT)。