Section 13: Industrial Chem_Activation Energy & Energy Profile_Part 1

為何每個反應都有不同速率？還記得Collision Theory的同學應該很清楚反應源於粒子的有效碰撞 (Effective collision)，而如何達到有效碰撞取決於兩大因素︰

Ø   粒子在碰撞過程獲得足夠K.E.(即Kinetic energy動能，由於中文名太核突版主唔想用)

Ø  粒子碰撞的方向正確

這理論亦以增加有效碰撞的機率來解釋為何增加溫度、濃度、表面面積及加入催化劑能增加反應速率。相信同學都不難掌握此部分，但又能否聯想起Chemical Energetics︰

Energetics這課除了教大家Enthalpy (焓，簡單講就是一隻物質的Potential energy，該物質enthalpy越高即是bond strength越弱，所以亦較不穩定)時就有講解化學反應導致enthalpy change的成因︰粒子反應時先會吸收周圍環境的能量 (即熱能)、將自行的bonding拆除，再組成新bonding來形成生成物 (此過程會放出能量)。至於一個反應會吸熱(endothermic, △H= +ve)還是放熱(exothermic, △H= -ve)就需比較反應物及生成物之間的bond strength︰

Case 1: Bond strength of Reactant > Bond strength of product
(i.e. enthalpy level of reactant < enthalpy level of product)

è Energy absorbed from surrounding for bond breaking > energy released to surrounding for bond formation

è Net decrease of heat in the surrounding (increase in enthalpy level)

è Endothermic reaction (△H= +ve)

Enthalpy level diagram of an endothermic reaction

Case 2: Bond strength of Reactant < Bond strength of product

(i.e. enthalpy level of reactant > enthalpy level of product)

è Energy absorbed from surrounding for bond breaking < energy released to surrounding for bond formation

è Net increase of heat in the surrounding (decrease in enthalpy level)

è Exothermic reaction (△H= -ve)

Enthalpy level diagram of an exothermic reaction

拆除反應物bonding的過程就正是Collision theory中的粒子有效碰撞。換言之粒子一旦獲得足以拆除bonding的能量(而又在對的方向相撞)，就可以進行有效碰撞、將粒子的bonding拆散，此時粒子的Enthalpy level就會上升到最高的狀態。散掉的粒子之後會重組而產生生成物、同時放出能量(所以Enthalpy level下跌)。我們可以在Enthalpy level diagram加裝一座山仔顯示粒子在拆bonding和重組bonding過程中的能量轉變。以Case 2為例：

以上的改良版Enthalpy level diagram稱為Energy Profile。Y軸可以是potential energy / energy / potential /enthalpy 其中一個。Reaction coordinate簡單講就是反應的方向(左邊的反應物做反應得出右邊的生成物)。而拆bonding所需能量就稱為活化能(Activation energy, E_a)。Ea越細，rate越大(之後再討論)。

Enrichment: Reaction Mechanism (事先聲明︰Out-Syllabus!)

照之前所講一個反應不外乎拆bonding及重組，但事實上一個反應可能分為兩次或以上砍掉重練的過程︰

以上反應你以為一步搞掂，其實佢係分左兩個細steps黎做︰

以上反應機制用Energy profile來表達的話︰

在此不會討論為何反應機制會如此複雜，要就比較Step 1 和Step 2的E_a (Step 2的E­_a即是2D + B的energy level至其後的山頂)。好明顯Step 1的E_a較大，所以Step 1的反應速率應該比Step 2慢，暗示著這一步會決定整個反應的速率(D呢隻intermediate出得太慢、阻住地球轉，第二步出C出得幾快都好都冇用因為要等埋D)，故此Step 1亦被稱為Rate-determining step。而留意Step 1的equation，由於A有參與其中而B沒有︰

Orders of reaction w.r.t. A & B are 1 and 0 respectively.

大家學的order就是這樣一回事：找尋涉及rate-determining step中的有效碰撞會涉及什麼及多少反應物粒子。上題的情況正是只有A涉及在有效碰撞(或者文法上有D問題，呢個case黎講係A自己夠能量就會散做2個D)；假設有一條反應方程式︰

Rate = k[X][Y]²

意指在其rate-determining step中的有效碰撞涉及一個X粒子及兩個Y粒子。這解釋了為什麼反應物的order通常只會係0、1或2而不會很大或出現分數。


聽講中六同學上堂未學到Activation energy及Energy Profile，或者我會先講返一d舊Topic好似Van der Waals force、bonding同metal，順便俾中四同中五同學參考下。之後先返黎講埋Arrhenius equation和相關試題。