关于此实验
分子只有在发生碰撞时才能反应，而大多数碰撞都太轻微，不足以断开化学键。在这个盒子中，蓝色的 A 分子和紫色的 B 分子四处飞动并相互弹开。当 A 与 B 碰撞时，如果沿着两者中心连线方向的能量至少达到活化能，它们就会转变为绿色产物。提高浓度或温度，或者添加催化剂，观察产物数量如何因不同原因而增长得更快。
学习目标
- 说明粒子必须以至少达到活化能的能量发生碰撞才能反应
- 说明浓度升高为何会提高反应速率：每秒发生的碰撞更多
- 解释为什么温度升高主要会使反应速率加快：因为具有足够能量的碰撞所占比例增大了。
- 描述催化剂如何提供一条活化能更低的反应途径。
- 根据生成物数量随时间变化图的斜率读出反应速率。
使用方法
- 1使用默认设置点击“运行”。观察生成物形成图。图线在开始时还是结束时最陡？为什么？
- 2将浓度提高到每种分子70个。将新曲线与上次运行的虚线进行比较。
- 3将分子数调回40个，并将温度升至400 K。查看能量直方图：现在有多大一部分位于Ea右侧？
- 4比较300 K和400 K时成功的A-B碰撞所占比例与预测值 e^(-Ea/RT)。
- 5将温度调回300 K，并将活化能提高到10 kJ/mol。初始反应速率有什么变化？
- 6开启催化剂。能量图中的哪条线会移动？直方图本身会改变吗？
模型
假设
- 分子是质量相同的硬圆盘，在二维空间中运动。分子之间以及分子与壁面之间的碰撞都是完全弹性的。
- A 分子与 B 分子碰撞时，若沿连心线方向的相对运动动能至少达到 Ea，就会发生反应。产物以相同的速度继续运动，因此能量守恒，反应既不放热也不吸热。
- 催化剂将活化能减半。图中没有把它画成一个表面；它只改变反应所需的能量。
- 每次运行都从相同的初始位置和速度开始，因此设置相同就总会得到相同的结果。由于分子数量很少，测得的成功碰撞比例会在预测值附近波动。
- 能量的单位是 kJ/mol，时间采用模型中的任意单位。
在课堂上试试这个实验
- Q1为什么随着时间推移，生成物曲线的斜率会变得越来越小？
- Q2将A和B分子的数量都增加一倍，会使A-B碰撞的频率大约增加到四倍。为什么是四倍而不是两倍？
- Q3催化剂不会在反应中被消耗。为什么它仍能加快反应？
- Q4为什么食物和药品放在冰箱里能保存更久？
- Q5镁粉与酸的反应速度比镁条快。碰撞理论中的哪个观点可以解释这一点？
常见问题
为什么能量分布的形状与教科书中的钟形曲线不同？
在二维情况下，能量为E的分子所占比例呈指数衰减，因此曲线在零处达到最高点。在三维情况下，曲线从零开始，先上升再下降。两种情况下，超过Ea的尾部变化方式相同，而决定反应速率的正是这部分。
催化剂会给分子提供更多能量吗？
不。加入催化剂后，直方图保持不变。只有活化能线向左移动，因此已经发生的碰撞中，有更多碰撞具有足以发生反应的能量。
反应速率和分子的速度一样吗？
不一样。反应速率表示每秒发生反应的分子数量。分子移动得更快时，碰撞会稍微频繁一些，但温度的主要影响是使具有足够能量的碰撞大幅增加。
为什么成功碰撞所占的比例与预测值不完全一致？
一次运行中，A和B之间只有几百次碰撞，因此次数会像真实实验一样存在随机波动。增加分子数量并延长运行时间后，测得的比例会更接近 e^(-Ea/RT)。