动力学简介

学习化学的时候 你经常遇到化学反应 事实上 你会一直遇见反应 例如 如果这里有些氢气(H2) 它是双原子分子 氢与氢成键 是气态 加上碘蒸气 I2 碘也是气态 很好说明 哦 你如果把它们混合在一起 它们就会产生化学反应并生成产品 如果有2mol的氢气 和2mol的碘蒸气 就可以形成2mol的碘化氢(HI) 反应非常简单整洁 这使反应看起来非常简洁 没有一丝混乱 但是我们都知道 这并不是事实 我们也知道 这个反应不是瞬间完成的 它并不是你拿一些氢气 然后把它放到碘蒸气里面 就会神奇的生成碘化氢 总有某个过程是 这些气态粒子到处乱窜 然后不知怎么的 它们相互碰撞 然后使它们原有的化学键断裂 然后形成新的 这就是我们将要学习的知识 这个对反应过程和反应速率的 整体研究就叫做反应动力学 这是个很让人着迷的词 但是可能你已经很熟悉了 因为我们之前提到过很多次动能 动力学 也就是对反应速率的研究 是关于反应有多快和反应机理 所以 就让我们在大脑中 形成氢原子和碘原子结合的感性认识 所以让我们来想想氢原子的模样 拿出来元素周期表 氢原子有1个价电子 所以如果两个氢原子凑到一起 它们可以共用一对电子 碘原子有7个价电子 所以如果每个原子分享1个电子 也会形成饱和状态 所以我们现在来复习一下 所以氢原子 这个氢原子可能有一个... 好吧 它可能会在这里有1个电子 这里可能会有另一个氢原子 这个氢原子在这里有1个电子 如果它们形成化学键 它们共享这个 这个氢原子可以假装拥有这个电子 这个氢原子也假装它拥有这个电子 这样它们就饱和了 它们都觉得 它们的1s层填满了 碘分子中的两个原子 也是同样的情况 它们都有7个价电子 它们是卤素 你已经知道了 卤素是第七主族元素 所以它们有7个价电子 这个原子这有1个电子 这个原子这有1个电子 所以这原子可以假装它有这个电子 它就饱和了 它有8个价电子 这个原子同样可以假装拥有这个电子 也是一样的道理 所以这里形成一个键 这就是氢气是双原子分子的原因 也是碘分子是双原子分子的原因 现在 当他们处于气态的时候 这里有一群 来回运动的分子 它们相互撞击 我这样处理 所以氢气看起来是这个样子 氢气有两个原子球 它们通过化学键链接 它们之间有这些电子对 使这两个原子链接在一起 碘是这样的 它的分子更大一些 并且像这样结合在一起 它以共价键的形式共用电子 电子的分布是概率性的 所以这两个分子想要形成这个 这些化学键就要断开 新的化学键就要形成 接下来要发生的是 这些分子... 这里有大量的分子 我可以画一堆原子 或者是复制粘贴 所以 这里有一堆氢分子 周围有一些碘分子 接下来 为了 形成碘化氢 它们必须相互碰撞 而且它们必须要以最正确的方式碰撞 比如说这个分子... 我可以演示一下 比如它在运动 这很简单 我就拖放一下 但是它在运动 它必须以正确的方式撞击氢分子 可能恰好合适 如果它恰好以足够的能量 撞击它并和它合并 突然 比如说就在这个位置上 这些电子可能说 嗨 知道嘛 分享是件乐事 这样我们就都是稳态构型啦 我们充满了1s电子层 但是看看这里 这个碘距离我很近 它们好像真的需要我 它们比氢的电负性强多了 所以没准儿它们被吸引到了这里 但是它们不确定是不是要在这里 在氢之间 这个电子在它们之间 所以它们进入了这种高能状态 同样的 这些分子 它们会说 嗨 要是这样不是更好吗... 我并非一定要呆在这里 我可以回家 到我原来那个原子里 如果这个电子到这里来了 因为如果这样我们就会 有8个价电子 这边也同样 就是在碰撞发生的时候 这个络合物 其实是一种状态 这是高能态 或者说是反应的过渡态 这个被称作活化络合物 其实 我只是形象地把它画出来 但是你也可以这样画 所以两个氢原子之间有一个共价键 然后来了一些碘 碘原子之间也有共价键 突然间 这两个分子也要形成化学键 所以它们开始形成... 所以在这边 也有一点吸引力 这就是画活化络合物的 另一种方式 但是它处于高能态 因为为了使电子... 想想看 为了使电子从那个键转移到这个键中 或从这个键到那个键中 或恢复原来 它们必须进入一个高能态 这个能态没有原来的能态稳定 但一旦有足够的能量就会进入高能态 因为你能从两种物质分开的状态说起 我把它们分开画 它们都是分开的 这里有单独的氢分子 加上单独的碘分子 它们会形成 一个高能态 但是如果他们可以形成高能态 而且有足够的能量碰撞 即它们有足够的动能 而且它们碰撞取向正确 然后从这个活化络合物 或者说这个高能态 它会向最低能态转化 最低的能态就是碘化氢 哎呀！我想先画碘再画氢的 其实这个的能态更低 但是为了形成这个 就必须经历一个高能态 所以我可以用能量图来解释 所以令X轴是 反应的进程 实际上 我们并不知道进程有多快 但是你可以某程度上 将它看作时间 比如说这个是势能 我不想画...还是用粗线好了 这里就是势能 我把这个线也改粗一点 这个是势能 所以首先 我们在这个位置 总势能 所以事实上 我们从这里开始 这是氢气(H2)加上碘(I2) 变成碘化氢的时候 势能更低 所以下面这个是低势能 这就是2HI 对嘛？ 但是为了达到这个状态 必须先进入这个高活化能 这里电子都要... 他们需要获得能量 才能至少知道 它们下一步要做什么 所以你要给系统增加能量 你不必总要去刻意增加能量 但是如果整个过程不是自发进行的 你就需要向系统增加能量 才能进入高能态 对吗？ 这个点就是形成这个东西的时候 这里 系统中一定有某些能量 这个能量 当还是氢分子和碘分子状态时的 能量 和变成高能态 所需要达到的能量之间 之间的差异... 这个距离... 就是活化能 如果我们能想办法 给系统加入足够的能量 就会发生这样的事 它们就会以足够的能量碰撞 化学键就会被破坏然后重组 活化能 有时候我们把活化能写作Ea 将来 我们会有机会做一些 测量活化能的反应 但是最重要的是 要从概念上理解活化能的存在 反应并不是直接的 从这里进行到这里 我现在不想详细讲解催化剂 但是你可能已经听过“催化剂”这个词了 或者是某反应被催化 那是其他的物质 反应中的其他物质 那么现在 有H2加上I2生成2个碘化氢 现在 有一种催化剂 就说是加入了C 其实我也不知道 这个反应的良好催化剂是什么 催化剂是这样起作用的... 实际上它的机理有好多种 这就是我不想在这集中详细讲解的原因 但是 催化剂就是 在反应中不变的物质 它在反应中不被消耗 在反应开始的时候就有催化剂存在 在反应结束之后催化剂仍然存在 它的作用就是 使反应加速 或者说它降低了反应发生 所需的能量 其实两种说法都是一样的 所以如果有催化剂存在 这个活化能就会降低 它可能使一些分子可以 生成势能比较小的 其他形式的过渡态 所以分子以合适的取向相互碰撞 来生成其他态 需要的热量 或者是分子浓度减少了 所以所需的能量减少了 又考虑到我们已经理解了动力学的存在 或者是这些分子怎样相互作用 那么你认为 是什么因素 可以决定一个反应是否会发生？ 我们已经知道如果有正催化剂存在 也就有一些被叫做负催化剂的东西存在\N【译者注：负催化剂，也称缓化剂或抑制剂】 他们可以降低反应速率 但是如果有正催化剂 显然 它会减小活化能 所以可以使反应加快 更多的分子就会通过合适的碰撞 来克服能量峰 由于在有催化剂的条件下 能量峰值会降低 同样的 如果你增加浓度 对吗？ 如果你增加分子的浓度 如果浓度上升 就会有更多的分子 相互碰撞 对吗？ 只是有这个可能性 什么都是概率性的 当人们写这些反应方程式的时候 看起来都很整齐简单而且非常清晰 以为确实这样 但不是的 在真实世界中 这些分子仅仅是相互碰撞 当我们做生物的教学视频时 讲起来就非常令人着迷 因为每一个生物学过程 其实都是一个化学过程 真的只是这些东西的 副产品相互碰撞 你可以想象一下 需要相互碰撞的 分子的浓度越高 就越有可能获得 有效碰撞 和可以使反应发生的 足够的动能 实际上 我在这里做一个小注解 这个反应 你可能要说了 好吧 这有... 看 它们处在这个能态上 那怎么才能克服这个呢？ 怎么反应？ 当然 要记住 在气体中 所有分子的动能 都不是一致的 有些分子的稍大 有些的就比较小 温度仅仅是平均动能 所以总有可能 两个高动能的分子 完美的相互碰撞 越过能量... 所以它们有足够的动能 进入高能态 然后他们就可以进入低能态 也就是碘化氢 无论温度是多少 这都会发生 但是很明显的如果你增加了温度 反应的可能性更大 所以这是另一个因素 所以 温度 温度是可能使反应加快的 最重要因素 所以的这些因素中 你想要更高的温度 更高的反应速率 但是如果你只 考虑分子本身 如果分子的 原来的化学键较弱 它们更有可能发生反应 另一个你可能要谈及的因素就是 分子的形状 某些原子是否能有效地 和其他原子相互作用 当讨论生物学的时候 这个因素显得尤为重要 最后一个就是 你可能已经发现了 就是分子的表面积 如果你增加表面积... 我们先看看气体之间的反应 这类反应几乎可以定义为 最好的表面积反应 但是如果表面积增大 那么反应速率也会加快 这又如何解释？ 看看这个反应... 我们已经做过很多次这个反应了 氯化钠(NaCl) 固体 那么固态盐加上液态水 使钠... 我们可以用很多其他方法来思考 但是我们可以认为 它是钠离子水溶液和氯离子... 这个是阳离子和阴离子... 水溶液 也就是它会溶解 这是怎么发生的？ 如果你有一大块儿冰 ――不对 不是冰 是盐 我用灰色画盐 如果这里有一大块儿盐 那么里面就有很多钠原子和氯原子 如果周围有水 水就仅仅能和 表面的分子相互作用 慢慢的将盐溶解 慢慢的形成极性键 这些其实是和不同的 钠离子和氯离子形成的离子极性键 但是如果你把它分成小块儿 如果你分成小块儿 或者是把它碾得非常细 可以和水分子相互作用的 表面积就突然间增大了 它可以和更多的 氯化钠作用 所以反应就会更快 所以表面积... 如果加大相互接触的表面积 也可以提高反应速率 如果是两种液体相互作用 你可以这样做 将一种液体喷洒到另一种液体中 所以就会得到小液滴 这样也可以增加表面积 总之 这就是一个 动力学概念的简介 但是我希望你能理解 这些反应... 我希望你会 用这种方式来思考化学 而不是把它当做 哦 我就记住几个反应方程式就行了 化学实际上是原子间的碰撞和摩擦 它是概率性的 而且非常杂乱 我们真的需要思考 什么因素可以 导致化学反应的有效碰撞 更容易发生