纸和木头在氧气中燃烧时会放出大量热量。可是插在书架上的书从不会自己烧起来。只有划着火柴、凑上火苗，它们才开始燃烧，而火一旦点着，就会自行蔓延开来。这说明反应发生之前，有一道必须先跨过的门槛，而这道门槛的高度，就叫“活化能（Activation Energy）”。
简单来说，活化能就是“反应物变成生成物时必须翻越的最低能量山坡”。山坡高，反应就慢；山坡低，即使在同样的温度下反应也进行得很快。因此，从烹饪、保存食物到工厂生产、体内代谢，这一概念都是解释反应快慢的出发点。
本文将依次介绍活化能的含义与阿伦尼乌斯方程、温度加快反应的原理、催化剂与酶降低山坡的方式，以及生活中的浅显例子。
活化能决定反应的快慢
活化能的含义与阿伦尼乌斯方程
反应物分子要变成生成物，必须经过一个能量最高的中间阶段：原有的化学键开始松动，新的化学键开始形成。这个山口的顶点叫做过渡态，反应物的能量与过渡态能量之差就是活化能，通常以千焦每摩尔（kJ/mol）为单位表示。
把这一想法整理成公式的，是瑞典化学家斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）。他在范特霍夫1884年研究的基础上，于1889年提出反应速率常数k遵循“k = A × exp(−Ea/RT)”。其中Ea是活化能，T是热力学温度（绝对温度），R是气体常数。
把这个公式比作把球滚向山那边的村子，就很好理解。即使目的地地势更低，只要中间的山坡很高，球就很难翻过去。由于Ea位于指数之中，山坡哪怕只高一点，能翻过去的球的数量就会减少几倍乃至几十倍。
- 过渡态（Transition State）：反应途径中能量最高那一刻的不稳定原子排列。
- 指前因子（Pre-exponential Factor）：公式中的A，反映分子以合适方向相互碰撞的频率。
- 反应速率常数（Rate Constant）：表示在相同浓度下反应有多快的数值，越大反应越快。
温度加快反应的原理
根据碰撞理论，分子必须相互碰撞才能反应，但并非每次碰撞都会引发反应。只有同时具备足够能量和合适方向的碰撞，才能翻过山坡。
(1) 高能分子的比例增加
升高温度会使分子的平均动能增大，能量超过活化能的分子比例也随之大幅增加。由于这一比例按指数函数变化，温度只升高一点，反应速率也会大不相同。
(2) “升温10度、速度翻倍”的经验估算
在室温附近，活化能约为50 kJ/mol的反应，温度每升高10度，速率大约翻一倍。不过这只是粗略估算，山坡越高的反应，对温度越敏感。
(3) 方向也要对
即使能量足够，如果该反应的部位彼此没有对上，分子也只会弹开。指前因子A就包含了这种方向条件。
催化剂与酶降低山坡的方式
催化剂是参与反应、但反应结束后自身保持不变的物质，它开辟了一条活化能更低的新反应途径。在同样的温度下，能翻过山坡的分子大大增多，反应因此加快。
催化剂能改变的和不能改变的
- 反应途径（Reaction Pathway）：催化剂把反应物所走的山路换成一条更低的路。
- 反应热（Enthalpy of Reaction）：起点和终点的高度不变，所以反应放出或吸收的热量不会改变。
- 化学平衡（Chemical Equilibrium）：催化剂同时加快正反应和逆反应，只是让体系更快达到平衡，平衡的位置不会改变。
- 酶（Enzyme）：生物体制造的蛋白质催化剂，使体内反应在体温这样较低的温度下也能及时进行。
用生活中的浅显例子理解
活化能在实验室之外也每天都在起作用。我们有时故意帮反应翻过山坡，有时又设法让它翻不过去。
(1) 火柴和燃气灶的火种
燃料和氧气碰在一起并不会自己燃烧。一旦摩擦热或点火火花帮它们翻过第一道山坡，反应放出的热量就会把下一批分子推上去，火便持续燃烧。
(2) 冰箱与食物保存
使食物变质的反应和微生物的酶促反应，温度越低就越慢。冷藏保存就是通过减少能翻过山坡的分子数量来争取时间。
(3) 汽车尾气净化装置
铂、钯、铑等金属催化剂能把一氧化碳和氮氧化物迅速转化为危害较小的物质。若没有催化剂，在尾气流经排气管的短暂时间里，这些反应很难发生。
(4) 钻石为什么不会变成石墨
在通常条件下石墨更稳定，但钻石却能一直保持原样。这是因为转变途径的活化能极高，实际上几乎无法进行。反应能否发生与反应有多快，是两个不同的问题。
活化能是反应物变成生成物必须翻越的最低能量山坡，它的高度和温度一起决定了反应的快慢。阿伦尼乌斯方程与碰撞理论，用一条线索解释了我们如何生火、保存食物，以及如何用催化剂掌控工厂和体内的反应。
当某种变化或慢或快时，先别只看结果，而是先掂量它必须翻越的山坡有多高——这就是把活化能运用到日常生活中的第一步。
