六、化學反應探秘

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題,首要的就是要有合適的反應速度。速度太慢,沒有效益;速度太快,有些設備承受不住,對危險的快速反應必須減慢速度以保證安全。因此,控製化學反應速度無論對生產還是科研都意義重大。其實,就連在日常生活中,我們也經常自覺或不自覺地控製著許多化學反應的速度呢。打開家裡的電冰箱,裡邊儲存著新鮮的蔬菜、水果和許多容易腐敗變質的食品,目的是為了減緩食物腐敗這一化學反應的速度。低溫條件下,這些化學變化比常溫時要慢多了。還有一些包裝精美的食品,像花生仁等含油料作物的食物,裡邊都有一包吸氧劑。原來,這些食品中含有不飽和脂肪酸,一旦被氧化就變味不能吃了.加入吸氧劑的目的是使食物儘量不與氧接觸,這樣氧化速度就會減慢,使食品能夠長期保存。類似的例子還很多。

化學反應速度有那麼大差異,是“誰”在控製它們呢?

一場別開生麵的分子跳高比賽

打開一瓶香水。把它放在室內的一個角落裡,你坐到離它幾米遠的地方,你會馬上聞到香味嗎?你一定會說:“當然不會,總要隔一會兒才能聞到。”事實正是如此。

讓我們來找找香味不能馬上傳過來的原因。是因為香水中揮發出來的氣體跑得慢嗎?不是的,氣體分子是跑得相當快的。就拿個子最小的氫氣分子來說吧,0℃時,它每秒能跑1700米,比噴氣式飛機還要快。其他氣體分子的運動速度也很快,常溫下每秒至少可跑幾百米。如此來說,香水中逸出的氣體跑這幾米的路程,隻需百分之一或幾十分之一秒就夠了。可事實並非如此。這是為什麼呢?原來,氣體分子在行進時並不是沿著直線運動的。室內空間充滿了空氣分子,香水中的分子在這些氣體分子中無規則地運動,不斷地與它們相碰。據統計,一個氫分子在常溫常壓下每秒與其他分子碰撞1400億次,這樣頻繁的碰撞使它們隻能走一條曲折迂回的道路,就像你要走出擁擠的商場可不像在無人的足球場上跑一圈那麼便當一樣。難怪香味到你的鼻孔裡要經過一段時間了。

分子之間相互碰撞的頻率與外界條件有關。溫度越高,分子的熱運動越厲害,碰撞的次數就越多。在一定的空間內,分子數目越多,相互碰撞的機會也就會越大。有時候,碰撞的兩個分子就像兩個小鋼球,相撞隻會改變它們的運動方向,小球本身沒有變化,這樣的分子碰撞叫“彈性碰撞”。像香水中的分子與空氣分子的碰撞就是這樣。可是,如果把兩種可以發生化學反應的分子放在一起,結果又會如何呢?

我們把兩體積氫氣和一體積氧氣裝在一個容器中,氫分子和氧分子之間就會頻繁地碰撞起來,這是二者發生化學反應生成水的先決條件。如果兩種分子每次碰撞都可以發生反應的話,這個反應瞬間就完成了。但實際情況是,在常溫常壓下,這一反應進行得非常慢,以致我們都無法覺察出來。這是為什麼呢?原來,儘管氫氧分子的碰撞次數很多,但大部分分子由於攜帶的能量不夠,碰撞僅為彈性碰撞,不能發生反應。隻有那些具有較高能量的分子之間相撞,才可能將氫氣和氧氣分子撞開重新組合生成水。我們把這樣的分子叫“活化分子”。下邊我們就來看看,這些活化分子與一般分子有什麼不同,它們是如何進行化學反應的。

活化分子與其他分子的不同之處就在於它有較高的能量,這個能量要達到或高於能發生特定化學反應的最低能量。當然,不同的化學反應具有不同的最低能量要求。一定溫度下,儘管每個分子的能量各不相同,但我們可以用統計的方法計算出分子的平均能量。大部分分子的能量都集中在平均能量附近,遠離這一能量的分子總是少數。等我們觀看完一場別開生麵的跳高比賽,這一點就很清楚了。

圖6—2

我們把一定溫度下的一批分子帶到運動場進行跳高比賽。先把橫杆放在分子和平均能量高度E1上,分子們除了個別極弱的以外,大都跨過了橫杆。儘管有的分子跳得很勉強,但總算跳過去了。現在我們把橫杆上升一個高度(見圖6—2)。這可不是一個普通的高度,這是能發生某一化學反應的最低能量高度,用F2表示。分子們多麼希望自己能跨躍這一高度,成為參加化學反應的勇士呀。可是,大部分分子由於實力不足,隻能“望杆興歎”。隻有少數分子,勇敢地起跳,一下子躍過了橫杆,個別分子還大大地超過了它。這些勇士就是活化分子。化學家把能發生化學反應的最低能量(E2)與分子的平均能量E1之差叫活化能(Ea)。即:

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Ea=E2—E1,

那些跳過橫杆的分子們已具備了化學反應的初步條件,下一步就要看它們的“運氣如何”了。

要想發生化學反應,有足夠的能量還不行,還要有適當的進攻方向。例如,一氧化碳與二氧化氮相遇會生成二氧化碳和一氧化氮。反應如下:

CO(氣)+N02(氣)CO2(氣)+NO(氣)

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