化学反应的微观世界

关于这间实验室

一只反应盒，六个课题：分子怎样撞出一个反应。

反应发生在分子碰撞的那一刻。碰撞要足够猛，沿连心线的能量要越过活化能；碰撞还要对准，反应端要朝向对方。温度决定有多少分子够猛，浓度和压强决定多久撞一次。可逆反应里，正逆两个方向一直同时进行。

盒子里的粒子由固定种子的二维硬球模拟驱动；读数、曲线和闪光都来自同一个模型。催化剂怎样降低活化能，放在催化剂实验室。

六个结论

有效碰撞：HI 分解的活化能约 184 kJ/mol。相对动能 250 kJ/mol、瞄准偏离 0.6 时，连心线动能只有 160 kJ/mol，分子弹开；H 端对 I 端时，能量再大也不反应。
温度与活化分子：Ea = 8 kJ/mol 时，活化分子在 300 K 约占 4.0 %，在 600 K 约占 20.1 %。升温主要是让分布的尾巴变厚，而不是让每个分子都变快。
浓度与压强：恒温下体积减半，碰撞频率至少加倍；能量够的碰撞所占比例不变，约 9 %。
平衡的建立：298 K、以 NO₂ 计 40 mmol/L 时，不论从哪一边出发，都到达 [NO₂] = 9.5 mmol/L、[N₂O₄] = 15.2 mmol/L，Kc ≈ 169 L/mol。平衡时正逆速率相等，都不为零。
平衡移动：体积减半，[NO₂] 从 9.5 瞬间升到 19.0 mmol/L，再降到 14.0 mmol/L；升温到 348 K，[NO₂] 升到 28.4 mmol/L；降温到 273 K，降到 3.8 mmol/L。
链式反应：暗处不生成 HCl。弱光下每次引发约生成 24.5 个 HCl，强光下约 5.1 个。每生成 1 mol HCl 放热 92.3 kJ。

模型与来源

粒子：二维硬盘，等质量，固定种子与固定步长（1/240 s）；每 1/30 s 存一帧，拖动时间只做插值。速度大大放慢，只是示意。
反应判据：沿连心线的相对动能 ½μu² 超过 Ea，而且 A 的反应端朝向 B（P = ½）。二维里能量超过 Ea 的碰撞比例正好是 e^(−Ea/RT)；碰撞理论给出的速率与粒子计数互相核对。
盒子里的 Ea 取 8 kJ/mol（教学假设）：真实反应的 Ea 常为 50–200 kJ/mol，要等上亿次碰撞才有一次反应。HI 碰撞课题用真实的 184 kJ/mol。
平衡：NO₂ 与 N₂O₄ 的标准生成焓与吉布斯能取 NBS 表；Kp 按 van ’t Hoff 外推（ΔH 视为常数）；k逆随温度按 Arrhenius 变化（Ea = 54 kJ/mol），时间尺度压缩约 10⁶ 倍（教学假设）。盒子里的事件用随机模拟（固定种子）抽取。
链式反应：五个基元步骤的速率常数是教学假设，只保留真实的相对快慢；一个可见分子代表 1/60 mol。可见分子数不能当作宏观爆炸阈值。

每一个读数与结论数字都由 check:kinetics 对照模型重算。