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Introduction to Kinetics : Kinetics, activation energy, activated complex and catalysts.
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- 學習化學的時候
- 你經常遇到化學反應
- 事實上 你會一直遇見反應
- 例如 如果這裡有些氫氣(H2)
- 它是雙原子分子
- 氫與氫成鍵
- 是氣態
- 加上碘蒸氣 I2
- 碘也是氣態
- 很好說明 哦
- 你如果把它們混合在一起
- 它們就會産生化學反應並生成産品
- 如果有2mol的氫氣
- 和2mol的碘蒸氣
- 就可以形成2mol的碘化氫(HI)
- 反應非常簡單整潔
- 這使反應看起來非常簡潔
- 沒有一絲混亂
- 但是我們都知道 這並不是事實
- 我們也知道 這個反應不是瞬間完成的
- 它並不是你拿一些氫氣
- 然後把它放到碘蒸氣裏面
- 就會神奇的生成碘化氫
- 總有某個過程是
- 這些氣態粒子到處亂竄
- 然後不知怎麽的 它們相互碰撞
- 然後使它們原有的化學鍵斷裂
- 然後形成新的
- 這就是我們將要學習的知識
- 這個對反應過程和反應速率的
- 整體研究就叫做反應動力學
- 這是個很讓人著迷的詞
- 但是可能你已經很熟悉了
- 因爲我們之前提到過很多次動能
- 動力學
- 也就是對反應速率的研究
- 是關於反應有多快和反應機理
- 所以 就讓我們在大腦中
- 形成氫原子和碘原子結合的傾性認識
- 所以讓我們來想想氫原子的模樣
- 拿出來元素周期表
- 氫原子有1個價電子
- 所以如果兩個氫原子湊到一起
- 它們可以共用一對電子
- 碘原子有7個價電子
- 所以如果每個原子分享1個電子
- 也會形成飽和狀態
- 所以我們現在來複習一下
- 所以氫原子 這個氫原子可能有一個...
- 好吧 它可能會在這裡有1個電子
- 這裡可能會有另一個氫原子
- 這個氫原子在這裡有1個電子
- 如果它們形成化學鍵 它們共享這個
- 這個氫原子可以假裝擁有這個電子
- 這個氫原子也假裝它擁有這個電子
- 這樣它們就飽和了
- 它們都覺得 它們的1s層填滿了
- 碘分子中的兩個原子
- 也是同樣的情況
- 它們都有7個價電子
- 它們是鹵素
- 你已經知道了
- 鹵素是第七主族元素
- 所以它們有7個價電子
- 這個原子這有1個電子
- 這個原子這有1個電子
- 所以這原子可以假裝它有這個電子
- 它就飽和了 它有8個價電子
- 這個原子同樣可以假裝擁有這個電子
- 也是一樣的道理
- 所以這裡形成一個鍵
- 這就是氫氣是雙原子分子的原因
- 也是碘分子是雙原子分子的原因
- 現在 當他們處於氣態的時候
- 這裡有一群
- 來回運動的分子 它們相互撞擊
- 我這樣處理
- 所以氫氣看起來是這個樣子
- 氫氣有兩個原子球
- 它們通過化學鍵鏈接
- 它們之間有這些電子對
- 使這兩個原子鏈接在一起
- 碘是這樣的
- 它的分子更大一些
- 並且像這樣結合在一起
- 它以共價鍵的形式共用電子
- 電子的分布是機率性的
- 所以這兩個分子想要形成這個
- 這些化學鍵就要斷開
- 新的化學鍵就要形成
- 接下來要發生的是 這些分子...
- 這裡有大量的分子
- 我可以畫一堆原子
- 或者是複製粘貼
- 所以 這裡有一堆氫分子
- 周圍有一些碘分子
- 接下來 爲了
- 形成碘化氫
- 它們必須相互碰撞
- 而且它們必須要以最正確的方式碰撞
- 比如說這個分子...
- 我可以演示一下 比如它在運動
- 這很簡單 我就拖放一下
- 但是它在運動
- 它必須以正確的方式撞擊氫分子
- 可能恰好合適
- 如果它恰好以足夠的能量
- 撞擊它並和它合並
- 突然
- 比如說就在這個位置上
- 這些電子可能說 嗨 知道嘛
- 分享是件樂事
- 這樣我們就都是穩態構型啦
- 我們充滿了1s電子層 但是看看這裡
- 這個碘距離我很近
- 它們好像真的需要我
- 它們比氫的電負度強多了
- 所以沒準兒它們被吸引到了這裡
- 但是它們不確定是不是要在這裡
- 在氫之間 這個電子在它們之間
- 所以它們進入了這種高能狀態
- 同樣的 這些分子
- 它們會說 嗨 要是這樣不是更好嗎...
- 我並非一定要呆在這裡
- 我可以回家 到我原來那個原子裏
- 如果這個電子到這裡來了
- 因爲如果這樣我們就會
- 有8個價電子
- 這邊也同樣
- 就是在碰撞發生的時候
- 這個錯合物
- 其實是一種狀態
- 這是高能態
- 或者說是反應的過渡狀態
- 這個被稱作激化復合體
- 其實 我只是形象地把它畫出來
- 但是你也可以這樣畫
- 所以兩個氫原子之間有一個共價鍵
- 然後來了一些碘
- 碘原子之間也有共價鍵
- 突然間
- 這兩個分子也要形成化學鍵
- 所以它們開始形成...
- 所以在這邊
- 也有一點吸引力
- 這就是畫激化復合體的 另一種方式
- 但是它處於高能態
- 因爲爲了使電子...
- 想想看
- 爲了使電子從那個鍵轉移到這個鍵中
- 或從這個鍵到那個鍵中 或恢復原來
- 它們必須進入一個高能態
- 這個能態沒有原來的能態穩定
- 但一旦有足夠的能量就會進入高能態
- 因爲你能從兩種物質分開的狀態說起
- 我把它們分開畫
- 它們都是分開的
- 這裡有單獨的氫分子
- 加上單獨的碘分子
- 它們會形成 一個高能態
- 但是如果他們可以形成高能態
- 而且有足夠的能量碰撞
- 即它們有足夠的動能
- 而且它們碰撞取向正確
- 然後從這個激化復合體
- 或者說這個高能態
- 它會向最低能態轉化
- 最低的能態就是碘化氫
- 哎呀！我想先畫碘再畫氫的
- 其實這個的能態更低
- 但是爲了形成這個
- 就必須經曆一個高能態
- 所以我可以用能量圖來解釋
- 所以令X軸是
- 反應的進程
- 實際上 我們並不知道進程有多快
- 但是你可以某程度上
- 將它看作時間
- 比如說這個是勢能
- 我不想畫...還是用粗線好了
- 這裡就是勢能
- 我把這個線也改粗一點
- 這個是勢能
- 所以首先 我們在這個位置
- 總勢能
- 所以事實上 我們從這裡開始
- 這是氫氣(H2)加上碘(I2)
- 變成碘化氫的時候
- 勢能更低
- 所以下面這個是低勢能
- 這就是2HI 對嘛？
- 但是爲了達到這個狀態
- 必須先進入這個高激化能
- 這裡電子都要...
- 他們需要獲得能量
- 才能至少知道
- 它們下一步要做什麽
- 所以你要給係統增加能量
- 你不必總要去刻意增加能量
- 但是如果整個過程不是自發進行的
- 你就需要向係統增加能量
- 才能進入高能態 對嗎？
- 這個點就是形成這個東西的時候
- 這裡 係統中一定有某些能量
- 這個能量
- 當還是氫分子和碘分子狀態時的
- 能量
- 和變成高能態
- 所需要達到的能量之間
- 之間的差異...
- 這個距離...
- 就是激化能
- 如果我們能想辦法
- 給係統加入足夠的能量
- 就會發生這樣的事
- 它們就會以足夠的能量碰撞
- 化學鍵就會被破壞然後重組
- 激化能
- 有時候我們把激化能寫作Ea
- 將來 我們會有機會做一些
- 測量激化能的反應
- 但是最重要的是
- 要從概念上理解激化能的存在
- 反應並不是直接的
- 從這裡進行到這裡
- 我現在不想詳細講解催化劑
- 但是你可能已經聽過“催化劑”這個詞了
- 或者是某反應被催化
- 那是其他的物質
- 反應中的其他物質
- 那麽現在
- 有H2加上I2生成2個碘化氫
- 現在 有一種催化劑
- 就說是加入了C
- 其實我也不知道
- 這個反應的良好催化劑是什麽
- 催化劑是這樣起作用的...
- 實際上它的機理有好多種
- 這就是我不想在這集中詳細講解的原因
- 但是 催化劑就是
- 在反應中不變的物質
- 它在反應中不被消耗
- 在反應開始的時候就有催化劑存在
- 在反應結束之後催化劑仍然存在
- 它的作用就是
- 使反應加速
- 或者說它降低了反應發生
- 所需的能量
- 其實兩種說法都是一樣的
- 所以如果有催化劑存在
- 這個激化能就會降低
- 它可能使一些分子可以
- 生成勢能比較小的
- 其他形式的過渡狀態
- 所以分子以合適的取向相互碰撞
- 來生成其他態
- 需要的熱量
- 或者是分子濃度減少了
- 所以所需的能量減少了
- 又考慮到我們已經理解了動力學的存在
- 或者是這些分子怎樣相互作用
- 那麽你認爲 是什麽因素
- 可以決定一個反應是否會發生？
- 我們已經知道如果有正催化劑存在
- 也就有一些被叫做緩化劑的東西存在\N【譯者注：緩化劑，也稱緩化劑或抑制劑】
- 他們可以降低反應速率
- 但是如果有正催化劑
- 顯然 它會減小激化能
- 所以可以使反應加快
- 更多的分子就會通過合適的碰撞
- 來克服能量峰
- 由於在有催化劑的條件下
- 能量峰值會降低
- 同樣的 如果你增加濃度 對嗎？
- 如果你增加分子的濃度
- 如果濃度擧升
- 就會有更多的分子
- 相互碰撞 對嗎？
- 只是有這個可能性
- 什麽都是機率性的
- 當人們寫這些反應方程式的時候
- 看起來都很整齊簡單而且非常清晰
- 以爲確實這樣
- 但不是的 在真實世界中
- 這些分子僅僅是相互碰撞
- 當我們做生物的教學影片時
- 講起來就非常令人著迷
- 因爲每一個生物學過程
- 其實都是一個化學過程
- 真的只是這些東西的
- 副産品相互碰撞
- 你可以想象一下
- 需要相互碰撞的
- 分子的濃度越高
- 就越有可能獲得
- 有效碰撞
- 和可以使反應發生的
- 足夠的動能
- 實際上 我在這裡做一個小注解
- 這個反應 你可能要說了 好吧 這有...
- 看 它們處在這個能態上
- 那怎麽才能克服這個呢？
- 怎麽反應？
- 當然 要記住 在氣體中
- 所有分子的動能
- 都不是一致的
- 有些分子的稍大
- 有些的就比較小
- 溫度僅僅是平均動能
- 所以總有可能
- 兩個高動能的分子
- 完美的相互碰撞
- 越過能量...
- 所以它們有足夠的動能
- 進入高能態
- 然後他們就可以進入低能態
- 也就是碘化氫
- 無論溫度是多少 這都會發生
- 但是很明顯的如果你增加了溫度
- 反應的可能性更大
- 所以這是另一個因素
- 所以 溫度
- 溫度是可能使反應加快的
- 最重要因素
- 所以的這些因素中
- 你想要更高的溫度 更高的反應速率
- 但是如果你只
- 考慮分子本身
- 如果分子的
- 原來的化學鍵較弱
- 它們更有可能發生反應
- 另一個你可能要談及的因素就是
- 分子的形狀
- 某些原子是否能有效地
- 和其他原子相互作用
- 當討論生物學的時候
- 這個因素顯得尤爲重要
- 最後一個就是 你可能已經發現了
- 就是分子的表面積
- 如果你增加表面積...
- 我們先看看氣體之間的反應
- 這類反應幾乎可以定義爲
- 最好的表面積反應
- 但是如果表面積增大
- 那麽反應速率也會加快
- 這又如何解釋？
- 看看這個反應...
- 我們已經做過很多次這個反應了
- 氯化鈉(NaCl) 固體
- 那麽固態鹽加上液態水 使鈉...
- 我們可以用很多其他方法來思考
- 但是我們可以認爲
- 它是鈉離子水溶液和氯離子...
- 這個是陽離子和陰離子...
- 水溶液 也就是它會溶解
- 這是怎麽發生的？
- 如果你有一大塊兒冰
- ――不對 不是冰 是鹽
- 我用灰色畫鹽
- 如果這裡有一大塊兒鹽
- 那麽裏面就有很多鈉原子和氯原子
- 如果周圍有水
- 水就僅僅能量和
- 表面的分子相互作用
- 慢慢的將鹽溶解
- 慢慢的形成極性鍵
- 這些其實是和不同的
- 鈉離子和氯離子形成的離子極性鍵
- 但是如果你把它分成小塊兒
- 如果你分成小塊兒
- 或者是把它碾得非常細
- 可以和水分子相互作用的
- 表面積就突然間增大了
- 它可以和更多的
- 氯化鈉作用
- 所以反應就會更快
- 所以表面積...
- 如果加大相互接觸的表面積
- 也可以提高反應速率
- 如果是兩種液體相互作用
- 你可以這樣做
- 將一種液體噴灑到另一種液體中
- 所以就會得到小液滴
- 這樣也可以增加表面積
- 總之 這就是一個
- 動力學概念的簡介
- 但是我希望你能理解
- 這些反應... 我希望你會
- 用這種方式來思考化學
- 而不是把它當做 哦
- 我就記住幾個反應方程式就行了
- 化學實際上是原子間的碰撞和摩擦
- 它是機率性的 而且非常雜亂
- 我們真的需要思考
- 什麽因素可以
- 導致化學反應的有效碰撞
- 更容易發生