先看速率怎样随温度变化

活化能通常记作Ea。在阿伦尼乌斯关系k=A exp(−Ea/RT)中,k是速率常数,T是绝对温度,R是气体常数,A是指前因子。若给定温区内A和Ea可近似看作常数,绘制ln k对1/T的图,直线斜率便为−Ea/R。

实验因此需要先在不同温度下测定速率,再依据适用的速率方程求k,而不是只记录反应何时看起来“开始”。温度必须使用开尔文;参数还应连同反应对象、条件和拟合范围报告。把另一温区或另一反应路径的数据混在一起,可能得到没有清晰物理意义的数值。

参考:[1]

势垒图有用,也有边界

碰撞模型强调,粒子相遇并不保证反应发生,能量和取向都很重要。即使总体过程放热,反应物仍可能先经过较高能量的构型,之后才到达产物。升温提高具有足够能量的粒子比例,因此常使具有正活化能的反应明显加快。

反应焓比较的是始末状态,活化能关注速率的温度依赖及其与反应路径的联系,两者不是同一能量差。宏观测量还可能把多个步骤、表面过程或不同通道合并成一个表观活化能,不能仅凭拟合直线就宣布已找到了唯一的微观势垒。

参考:[1] [2]

二硼化镁分解的测量

Fan、Hinks、Newman和Rowell在2001年的研究中考察二硼化镁在真空中的热分解。他们用石英晶体微天平和残余气体分析仪测量挥发过程,并以卢瑟福背散射分析重新沉积物的组成,发现逸出物主要是镁。这把观察到的信号与实际失去的物质联系起来。

对不同温度下的镁脱附数据作阿伦尼乌斯分析,研究报告约2.0电子伏特的活化能,并估算实际蒸发速率远低于相应热力学预测。这一结果支持分解过程受到动力学限制。它是该样品与实验条件下的过程参数,不是把二硼化镁所有化学键逐根断开所需的总能量。

参考:[2]

不能替代完整的动力学解释

较大的活化能意味着在其他条件可比较时,速率常数对温度变化更敏感,却不单独决定某温度下反应谁快谁慢,因为指前因子也参与决定k。点火温度还涉及热产生、散失和具体环境,不能把以能量计量的Ea直接当作一个温度阈值。

催化作用应从改变可行反应路径来理解,而不是把催化剂想成不断向每个分子赠送能量的电池。讨论活化能时,最可靠的顺序是交代测量对象和速率模型,再解释温度依赖,最后判断能否赋予微观势垒意义。能拟合的数据关系与已经证明的反应机制,始终应当分开。

参考:[1] [2] [3]