温度对活化能和反应进程的影响是化学动力学中的核心问题,主要涉及分子能量分布和反应速率的改变。以下是具体分析:

一、温度对活化能的影响

1. 活化能的本质

活化能(Ea)是反应物分子从基态转变为过渡态所需的最小能量,是反应的“能量壁垒”。它由反应本身的性质决定,与温度无直接关系。例如,基元反应的活化能是过渡态与反应物平均能量的差值,而非基元反应的表观活化能则是各基元反应活化能的组合。

2. 温度对分子能量分布的影响

温度升高时,分子热运动加剧,平均动能增加。虽然活化能本身不变,但能量高于Ea的活化分子比例显著增加(根据玻尔兹曼分布)。例如,温度每升高10℃,活化分子数约增加2-4倍,从而加快反应速率。

二、温度对反应进程的影响

1. 反应速率的提升

根据阿伦尼乌斯公式 ( k = A e^{-frac{E_a}{RT}} ),温度升高会指数级增大速率常数k。这意味着单位时间内有效碰撞次数增多,反应速率加快。例如,高温下H₂和O₂的化合反应速率显著提高。

2. 改变反应历程的敏感度

活化能高的反应对温度变化更敏感。例如,若两个反应的活化能分别为Ea₁和Ea₂(Ea₁ > Ea₂),升温时Ea₁对应的反应速率提升幅度更大,可能改变反应的主次路径。

3. 平衡状态的影响

对于可逆反应,温度升高会同时加快正、逆反应速率,但吸热方向速率提升更明显(因其活化能更高)。例如,合成氨反应(放热)中,升温会缩短达到平衡的时间,但降低平衡转化率。

三、总结(高考答题要点)

1. 活化能本身由反应性质决定,温度不改变其数值,但通过增加活化分子比例提高反应速率。

2. 温度升高加快反应进程:活化分子百分数增加 → 有效碰撞频率提高 → 反应速率加快。

3. 活化能高的反应对温度更敏感,升温会显著提升其反应速率,可能影响反应选择性和平衡移动。

示例答案

温度升高时,分子平均动能增加,更多分子达到或超过活化能成为活化分子,活化分子百分数提高,有效碰撞次数增多,反应速率加快。活化能本身不变,但高温下反应能更快跨越能量壁垒,缩短达到平衡的时间。对于活化能不同的竞争反应,升温更有利于活化能高的反应进行。(引用:)