热反应能量变化图像我不是很明白这样的图像中所表现出的能量变化,比如能量先增再减.是因为催化剂吗?

Question

热反应能量变化图像
我不是很明白这样的图像中所表现出的能量变化,比如能量先增再减.是因为催化剂吗?

Answer 1

这张图画得非常好,概念很严格、准确,包含的信息量很大.
先看蓝色曲线,这条曲线表达了一个无催化剂的等温等压反应过程中,反应物（起始态）、中间产物（过渡态或中间态）和最终产物（终态）的标准吉布斯自由能的变化情况.先不看中间过程,就看反应物和产物,图上画出的是一个标准G减小的反应,意味着生成物（在标准态下）更稳定,反应标准平衡常数大于1（反应达到平衡时,产物比残留反应物更多）.
但反应物变成产物不是简单的突变,而是连续变化.下面以两个反应物分子形成两个产物分子为例进行讨论.反应物分子间首先发生有效碰撞（指两个分子中有关原子相互接近到化学键的有效作用距离内,约为1两个原子直径的大小）,这时两个分子间有了化学键作用就变成了一个分子（即中间产物或过渡态分子）,一旦形成化学键分子的构型、键角就会发生变化（键角越小成键电子对间的斥力势能越大）,从而引起能量的升高（这里的能量以标准G来计量,也可以用标准焓H,但两者的意义有差别）,并且随着碰撞过程中两个部分越来越靠近,成键电子对间的斥力越来越大,中间产物的能量越来越高,在某一时刻达到最大.此后随着中间产物有关化学键逐渐减弱直至断裂,分子构型、键角将发生有利于能量降低的变化,最终形成能量较低的稳定产物.楼主可参见图片http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f9/BromoethaneSN2reaction-small.png
图中中间画的结构就是能量最高的过渡态分子结构（成键电子对间的斥力最大）.
对于更复杂的反应,过渡态分子还可能先变成所谓的亚稳态（就是曲线中间的谷）,亚稳态可以在一定条件下相对稳定存在,一旦条件稍有变化,又会进一步变化形成最终产物（就是曲线的最右端）.
反应物和能量最高处的过渡态分子的能量差就称为活化能（这是活化能的严格定义,图中的活化能称为活化自由能,用焓表示能量的时候,两个状态的能量差称为活化焓）.
再看红色曲线,它代表当有催化剂参与反应的时候,反应物-中间产物-生成物的能量变化.催化剂和反应物分子先结合成过渡态分子,这个过渡态分子和没有催化剂的时候结构不同,能量也不同,对于正催化剂,引起过渡态能量降低（降低活化能,加速反应）,负催化剂引起能量升高（增加活化能,减缓反应）,图上画的是正催化剂的情形.
能量先增后减与催化剂无关,有无催化剂都是先增后减.能量先增后减的原因是过渡态分子的构型、键角,有关化学键的强度在不断发生变化.
这个问题涉及到很多基本概念,这些基本概念不清楚的话,自己去看看书,或上网查一下.仍有不明欢迎追问.