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本世紀30年代,艾林等人又提出了過渡態理論,對碰撞理論做了適當的補充和修正。過渡態理論對碰撞瞬間的過程有較細致的描繪。該理論認為:反應分子進行有效碰撞後,首先進入一個過渡狀態,這個過渡態是舊分子破壞和新分子形成的中間產物。如:
A+B—C —→A…B…C→ A—B +C
過渡態
過渡態中由於電子雲的排斥作用,能量較高,所以分子從反應物變到生成物,中間要經過一個高能量狀態。儘管一個化學反應的發生是必然趨勢,但不具有足夠能量的活化分子,翻過這座高山到達終點也是不可能的。這就是為什麼氫氧化合生成水的反應在常溫下那麼困難和緩慢的原因了。
化學反應速度儘管受到反應本身的內在因素的製約,但通過改變外界環境,反應速度也是可以用人力來控製的。
飛艇爆炸與反應速度
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自古以來,人類一直幻想著能像鳥類一樣在天空飛翔。後來,人們發明了熱氣球,接著又在氣球上裝上了動力裝置,這就是飛艇。1900年,德國人費迪南德·馮·齊伯林設計了一隻硬式飛艇,采用金屬骨架支撐橡皮氣球,從此飛艇成為人類的空中交通工具。1928年到1937年間,硬式飛艇開辟了數條飛越大西洋的定期航線,飛行數百萬公裡,運送了成千上萬名旅客。但是空難事故卻不斷發生,尤其是1937年充氫飛艇“興登堡”號,在飛越大西洋途中爆炸焚毀,造成36人死亡的悲慘事故,最終促使人們淘汰了作為交通工具使用的飛艇。
這次事故的原因是由於飛艇在飛行中碰了一下鐵塔,摩擦產生的熱使飛艇所充的氫氣燃燒爆炸造成的。我們已經知道,氫氧化合生成水的反應在常溫下幾乎不發生,但如果對其加熱,即使是一星半點的火花,就像飛艇撞鐵塔的情形,爆炸反應也是不可避免的。對此,除考慮化學反應的引發條件外,如果再進一步用化學反應速度理論去作一番解釋,那我們的認識就會更深一步了。
不管看飛艇爆炸的例子,還是我們在實驗室做的其他化學實驗,你都會注意到,溫度是加快化學反應速度的一個重要因素。溫度為什麼能加快反應的速度呢?首先,我們知道溫度升高以後,分子的熱運動加快,分子間無規則的碰撞次數增多了,但這僅僅是加快反應速度的一個微不足道的原因。最關鍵的原因是,溫度升高以後,分子的平均能量就會提高,活化分子的數目大大增多了。如果還用跳高來比喻,那就是分子們經過了“熱身訓練”,水平已是今非昔比,跳過E2橫杆的“人數”大大增多。活化分子數目增多,有效碰撞的比率就會大大提高,難怪化學反應速度會加快那麼多呢。其實,有些反應哪怕是局部受熱.就像飛艇碰鐵塔,也使反應速度大大加快。原來,在常溫下氫氧即使混合也幾乎不反應,那是因為溫度低時活化分子的數目太少。遇熱後由於活化分子數目增多,它們彼此碰撞生成了水.同時放出反應熱,放出的熱量又使更多的分子變成活化分子。這樣,氫、氧分子不斷破壞,水分子不斷生成,反應急劇加速,在短時間內釋放出巨大的能量,使氣體快速膨脹終致爆炸。
溫度升高對任何化學反應來說都能加快反應速度。當然,降低溫度時,反應速度也會減慢。生產上,金屬的冶煉、合成氨反應的進行都采用高溫條件,而生活中,用冰箱存放食品使用的是低溫條件,這都是利用溫度對反應速度的影響采取的措施。19世紀中期以來,化學家們就試圖用各種不同的經驗式來表示溫度對反應速度的影響,荷蘭化學家範特霍夫就曾通過大量的實驗測知,溫度每升高10℃,反應速度約增大2~4倍。後來他又提出了溫度對化學反應速度影響的關係式,人稱範特霍夫公式。鑒於他對化學動力學和熱力學研究的貢獻,他獲得了1901年的諾貝爾化學獎,成為第一位獲得諾貝爾獎金的化學家。
影響化學反應速度的還有其他因素。我們再來看這樣一個小實驗:用一根導管將氫氣源源不斷地引出,讓它在氯氣中燃燒。你會看到,一簇蒼白色的火焰在導管口處平靜地燃燒著。反應後生成氯化氫氣體,用水吸收後就是鹽酸,工業上生產鹽酸就是這樣一個過程。但如果你將一瓶氫氣和一瓶氯氣均勻混合後再去點燃它,你可千萬小心,會發生劇烈的爆炸反應,弄不好可是要出大事故的。
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