反應機理與催化

過渡態理論(transition-state theory)

/ abbreviated TST /

假設你想預測每小時有多少輛車翻越一個山口。有一個巧妙的辦法:算出任一瞬間正好停在峰頂的車有多少,以及它們越過頂端的速度有多快。只要你能數出峰頂的車,就能預測車流,而不必盯著整段旅程。過渡態理論正是用這個辦法來預測一個化學反應的速度。

更準確地說,過渡態理論計算反應速率時,假設反應物與坐在能壘頂端的活化錯合物處於某種平衡,而這個錯合物以一個固定的速率轉變為產物,這個速率由它那個關鍵的鍵振動到斷裂的快慢決定。於是速率就可以用能壘的高度、以及所涉分子的形狀和能量來表示,通過活化吉布斯能來表達。它給出的圖像比簡單的碰撞計數更深入、更定量。

為什麼重要:過渡態理論是理解溫度、結構和催化劑如何影響反應速率的標準框架,它還從根本上解釋了阿倫尼烏斯方程。誠實的提醒是:它的核心假設——峰頂處存在真正的平衡,以及一旦越過就沒有分子滑回去——都是近似。它們對許多反應都出奇地好用,但對極快的反應、量子隧穿,以及簡單理論無法刻畫的溶液中的運動,就會失效。

為了預測兩個分子反應得多快,一位運用過渡態理論的化學家並不去追蹤每一次碰撞。他們改而計算能壘頂端處活化錯合物的結構和能量,求出活化吉布斯能,再由這一個量算出速率常數——常常與實驗吻合得很好。

數清峰頂上有什麼,就能預測速率。

過渡態理論和碰撞理論都解釋活化能,但過渡態理論通過活化錯合物的結構和自由能來處理,而碰撞理論則去數那些能量足夠、取向正確的碰撞。

又稱
TST活化络合物理论活化錯合物理論absolute rate theory