一、反應能量圖
- 用途：可提供反應進行過程中參與的物種能量隨反應進行的變化。
- 橫坐標為反應的進行過程，縱坐標為物種的能量。
- 左邊為反應物，右邊為生成物，中間為活化複合體。
-
例：一氧化碳與二氧化氮反應生成二氧化碳與一氧化氮。
反應式：CO(g)＋NO2(g) → CO2(g)＋NO(g)
| 標示 | 照圖文字／意義 |
|---|---|
| 坐標 | 縱軸：能量； 橫軸：反應過程 |
| 物種位置 | 左：反應物（CO + NO2）； 中間最高點：活化複合體（OC--O--NO） 右：生成物（CO2 + NO）； |
| 過渡狀態 | 圖中於能量曲線最高處附近標示「過渡狀態」 |
| Ea、Ea' | Ea：正反應活化能；Ea'：逆反應活化能 |
| ΔH | 反應熱（反應物與生成物能量差） |
二、活化複合體
- 活化複合體為過渡狀態物質：反應物的原化學鍵尚未完全斷裂，新化學鍵正在逐漸形成，性質極不穩定。
- 活化複合體是反應能量圖中能量最高的物質：其結構介於反應物與生成物之間，可能形成生成物，亦可能回復為反應物，存在時間極短，不易偵測。
| 重點 | 文字內容 |
|---|---|
| 性質 | 過渡狀態物質；原鍵未完全斷裂，新鍵逐漸形成；性質極不穩定。 |
| 在能量圖的位置 | 能量最高的物種；介於反應物與生成物之間；存在時間極短、不易偵測。 |
三、活化能
- 活化能意義：化學反應所需要克服的能量障壁。
- 正反應活化能 Ea＝活化複合體與反應物間的能量差。
逆反應活化能 Ea'＝活化複合體與生成物間的能量差。
小提醒：若未特別指明，活化能一般指正反應活化能。
-
活化能與反應熱的關係：ΔH（反應熱）＝ 正反應活化能（Ea）－ 逆反應活化能（Ea'）
-
特性：
活化能愈大，能量障壁愈高，反應愈難發生，反應速率愈慢（速率常數 k 值較小）；
活化能愈小，能量障壁愈低，反應愈易發生，反應速率愈快（速率常數 k 值較大）。
-
反應物粒子須具有足夠的能量，使反應物粒子的能量超越活化能，反應才有可能發生。
例：常溫下，氫氣和氧氣反應的活化能極高，彼此幾乎不會反應，需要藉由點火來引發反應。
-
活化能與溫度、反應物濃度無關，與反應物本性、反應途徑有關。
● 反應物本性：反應物種類不同，形成的活化複合體不同，因此活化能不同。
例：常溫下，白磷較碳容易氧化，活化能較低。
● 反應途徑：加入催化劑可形成能量較低的活化複合體，故活化能降低。
- ▲ 反應位能圖與粒子動能分布曲線圖之相關性
| 項目 | 內容 |
|---|---|
| 定義 | 化學反應所需要克服的能量障壁。 |
| 正、逆反應活化能 | Ea＝活化複合體與反應物間能量差； Ea'＝活化複合體與生成物間能量差。 |
| 反應熱關係式 | ΔH＝Ea－Ea' |
| 吸熱反應（ΔH>0） | ① 生成物能量高於反應物能量。 ② Ea＞Ea'。 ③ 逆反應較正反應容易進行。 |
| 放熱反應（ΔH<0） | ① 反應物能量高於生成物能量。 ② Ea＜Ea'。 ③ 正反應較逆反應容易進行。 |
四、反應機構
-
大部分的化學反應並不是單一步驟即可完成，而是經由一系列的簡單反應步驟來完成，
這一系列的反應步驟統稱為反應機構。 - 反應機構中速率最慢的步驟稱為速率決定步驟，又稱為瓶頸反應。
瓶頸反應的速率決定了整體反應速率。 -
速率決定步驟的比擬：可用連續沙漏比擬；沙子下落速率由瓶頸開口最小者決定，
正如同反應機構中速率最慢的步驟決定整體反應速率。 -
例如：
第1步：O3(g)＋NO(g) → O2(g)＋NO2(g)（快）
第2步：NO2(g) → NO(g)＋O(g)（慢）
第3步：O3(g)＋O → 2O2(g)（快）
全反應：2O3(g) → 3O2(g) - 此反應的速率決定步驟為第2步，這個步驟所形成的活化複合體位於能量最高峰的位置。
-
催化劑與中間產物的比較：
相異點—催化劑（NO）：先與反應物作用，然後又釋出；中間產物（NO2 及 O）：先釋出，然後與反應物作用。
共同點—不會出現在全反應。
| 種類 | 催化劑（NO） | 中間產物（NO2 及 O） |
|---|---|---|
| 相異點 | 先與反應物作用，然後又釋出 | 先釋出，然後與反應物作用 |
| 共同點 | 不會出現在全反應 | 不會出現在全反應 |