化学反应能量图绘制工具
按比例绘制化学能量图：带 Ea 与 ΔH 箭头的放热、吸热反应历程，有无催化剂的两条路径，多步反应机理，以及化学键的势能曲线。适合练习题、课件与论文。
反应能量图风格
四种风格，各画一张不同的能量图：教材彩色版的 CH₃Br + OH⁻ SN2 反应，过渡态标为 [HO···CH₃···Br]⁻；黑白试卷版的吸热反应，纵轴每 20 kJ 一格，标出正、逆反应活化能；期刊插图版的 DFT 自由能图，以虚线连接的能级表示并标出决速步；深色幻灯片版的酶促反应路径，经过 ES 与 EP，与未催化反应对比。
反应能量图示例
四张真实生成图，均由卡片上的提示词生成：过氧化氢分解有无碘离子催化（Ea 75 与 56 kJ·mol⁻¹，ΔH = −98 kJ·mol⁻¹）、只标符号的一步吸热反应、标出决速步的两步 SN1 反应（Ea1 = 95、Ea2 = 7 kJ·mol⁻¹），以及最低点在 74 pm 的 H₂ 势能曲线。点击卡片即可载入其提示词。
什么是反应能量图？
反应能量图（又称势能图、能量—反应进程图）以反应坐标为横轴、体系能量为纵轴，表示反应从左侧的反应物进行到右侧的生成物时能量的变化。 每个峰是一个过渡态，两峰之间的谷是中间体。从反应物爬到能垒顶端的高度是活化能 Ea，反应物与生成物两个能级之间的竖直距离是焓变 ΔH。生成物低于反应物为放热反应，高于反应物为吸热反应；催化剂表现为同样两个能级之间一条更低的路径。
关于这个能量图工具
- 按笔记里的写法输入能量即可：反应物 0、过渡态1 +85、中间体 +20、过渡态2 +60、生成物 −45 kJ·mol⁻¹。也可以只给每一步的 Ea 和 ΔH（Ea = 50 kJ·mol⁻¹，ΔH = −30 kJ·mol⁻¹），各能级会在绘图前先算出来。
- 曲线经过每一个驻点计算得到：峰顶恰好落在每个过渡态，谷底恰好落在每个中间体，不会多出鼓包；所有能级都给出数值时，高度按比例绘制。
- 每个活化能箭头都从该能垒前紧邻的最低点出发，而不是从坐标轴出发；ΔH 箭头从反应物能级指向生成物能级，并标出正负号，如 ΔH = −45 kJ·mol⁻¹ 或 ΔH = +30 kJ。
- 完全不给数值时（如“有无催化剂的吸热反应”），形状按你的描述绘制，箭头只标符号 Ea 和 ΔH > 0，不会编造任何数值。
- 单位保持你的写法（kJ·mol⁻¹、kJ/mol、kcal/mol、eV）。要求画自由能图时箭头改为 ΔG‡ 和 ΔG°；要求“能级用虚线相连”时，得到 DFT 论文中常见的台阶式能量图。
可以绘制的反应能量图
化学课程和论文中常画的八种能量图，各自的特点，以及要得到它们该怎么写。
放热反应能量图
生成物能级低于反应物，ΔH 为负，ΔH 箭头向下。 逆反应的能垒总是更高：Ea = 50 kJ·mol⁻¹、ΔH = −120 kJ·mol⁻¹ 时，从生成物返回需要越过 170 kJ·mol⁻¹。输入这两个数值，或只写“放热反应”，箭头就标为 Ea 和 ΔH < 0。
吸热反应能量图
生成物能级高于反应物，ΔH 为正，能垒至少要覆盖这段高度差。 反应物 40 kJ、活化络合物 100 kJ、生成物 70 kJ，得到正反应活化能 60 kJ、逆反应 30 kJ、ΔH = +30 kJ，是考试中的经典题型；加上“纵轴每 20 kJ 一格”即可带刻度。
有无催化剂的活化能示意图
同样的反应物和生成物能级之间有两条路径：催化路径更低、用虚线画，并有自己的 Ea 箭头；两条路径共用一个 ΔH，因为催化剂不改变焓变。 教材常用过氧化氢分解：无催化剂 Ea 75 kJ·mol⁻¹，碘离子催化 56 kJ·mol⁻¹，ΔH = −98 kJ·mol⁻¹。酶促反应能量图是同一类图，催化路径经过 ES 和 EP 复合物。
多步反应的反应进程图
每个基元反应一个峰，每个中间体一个谷，每一步的 Ea 都从它前面的最低点量起。 反应物 0、过渡态1 +85、中间体 +20、过渡态2 +60、生成物 −45 kJ·mol⁻¹ 得到 Ea1 = 85、Ea2 = 40 kJ·mol⁻¹。写“标出决速步”，工具会按数值判断：峰前最低点到峰顶爬升最大的一步，不一定是最高的那个峰。
SN1 与 SN2 反应能量图
SN2 一步完成：只有一个峰，即五配位过渡态 [Nu···C···L]‡，没有中间体。SN1 分两步：先越过较高的第一个能垒电离成碳正离子，亲核试剂进攻时再越过一个较小的能垒。 写出反应机理，形状随之确定；给出过渡态1、碳正离子和过渡态2 的能量，即可按比例绘制。E2 与 E1 的能量图形状与之相同。
吉布斯自由能图（ΔG‡）
纵轴为 G，箭头标为 ΔG‡ 与 ΔG°；计算化学论文常把每个状态画成一段短横线能级，再用虚线连到下一个。 写“自由能，kcal/mol，能级用虚线相连”并附上 DFT 数值，期刊风格会自动加刻度。25 °C 下 18.4 kcal/mol 的能垒对应约 0.2 s⁻¹ 的速率常数，半衰期约 3.4 s。
焓变示意图
同一张图，纵轴换成焓 H：反应物和生成物画成能级，二者之间是 ΔH，峰上方是 Ea。 只给反应物和生成物时，得到只有两个能级、一个 ΔH 箭头、没有能垒的焓变图；再给出 Ea，两者之间就会出现曲线。
化学键的势能曲线（莫尔斯势、伦纳德-琼斯势）
另一种也叫“势能图”的图：两个原子的能量随核间距的变化，左侧是陡峭的排斥墙，键长处是最低点，原子分开后曲线平缓地趋近于零。 H₂ 的最低点在 74 pm，势阱深 436 kJ·mol⁻¹；写明伦纳德-琼斯势并给出 ε 和 σ，可画氩这类范德华分子对（ε = 0.998 kJ·mol⁻¹，σ = 340 pm），其最低点在 2^(1/6)σ = 382 pm。
如何读懂反应能量图
反应能量图中每个要素是什么、在图上的位置，以及它说明了反应的什么。
| 要素 | 在图中的位置 | 说明什么 |
|---|---|---|
| 反应物与生成物 | 左右两端的水平能级 | 各自的能量；两者之差就是 ΔH |
| 过渡态（‡） | 每一个峰 | 一个基元反应中能量最高的原子排布；存在时间约一次键振动，无法分离 |
| 中间体 | 两个峰之间的谷 | 寿命有限的真实物种，如 SN1 中的碳正离子；有时可被检测到 |
| 活化能 Ea | 从峰前的最低点到峰顶 | 这一步有多慢：25 °C 时能垒每增加 5.7 kJ·mol⁻¹（1.36 kcal/mol），速率约降为十分之一 |
| 逆反应活化能 | 从生成物到最后一个峰 | 逆反应的能垒：Ea（逆）= Ea（正）− ΔH |
| ΔH（自由能图中为 ΔG°） | 反应物能级到生成物能级的竖直距离 | 为负：放热（放能），释放能量；为正：吸热（吸能） |
| 决速步 | 从它前面最低点爬升最大的那一步 | 决定总反应速率的步骤；通常是峰最高的一步，但并非总是如此 |
| 催化路径 | 同样两个能级之间一条更低的路线 | Ea 更小，常多出中间体；ΔH 和平衡位置不变 |
反应坐标没有单位，也没有刻度数值。 它只是把反应各阶段从左到右排列；只有纵轴是测量量，所以能量图上的水平间距没有意义。
放热反应与吸热反应能量图对比
同样三个要素——能级、能垒和两个箭头——取决于哪个能级更低，读法就不同。
| 放热反应 | 吸热反应 | |
|---|---|---|
| 生成物相对反应物 | 更低 | 更高 |
| ΔH 的符号 | 为负，ΔH < 0 | 为正，ΔH > 0 |
| ΔH 箭头 | 向下 | 向上 |
| 正、逆反应能垒 | Ea（正）小于 Ea（逆） | Ea（正）大于 Ea（逆），且不小于 ΔH |
| 能量与环境 | 放出热量，环境温度升高 | 吸收热量，环境温度降低 |
| 过渡态（哈蒙德假说） | 较早，接近反应物 | 较晚，接近生成物 |
| 实例 | 甲烷燃烧，ΔH = −890 kJ·mol⁻¹；H₂O₂ 分解，−98 kJ·mol⁻¹ | CaCO₃ → CaO + CO₂，ΔH = +178 kJ·mol⁻¹；N₂ + O₂ → 2NO，+181 kJ·mol⁻¹ |
放热不等于反应快。 ΔH 的正负取决于两个能级，速率取决于能垒：甲烷与氧气混合后并不反应，直到火花提供活化能，尽管反应会放出 890 kJ·mol⁻¹ 的热量。
由两个能垒求 ΔH，以及催化剂的作用有多大
在任何反应能量图中，ΔH = Ea（正）− Ea（逆）；阿伦尼乌斯方程则把能垒的变化换算成速率的变化。 能垒降低几 kJ·mol⁻¹，反应就会快很多倍，因为能垒处在指数上。
ΔH = Ea,正 − Ea,逆 k = A·e^(−Ea / RT) k催化 / k未催化 = e^((Ea,未催化 − Ea,催化) / RT)
用文字说
两个能级之差等于两次爬升之差；能垒每降低 1 kJ·mol⁻¹，速率都会成倍增加。
碘离子把过氧化氢分解的能垒从 75 降到 56 kJ·mol⁻¹。25 °C 时 e^(19 000 / (8.314 × 298)) ≈ 2100：催化反应约快两千倍（假设 A 相同），而 ΔH 仍为 −98 kJ·mol⁻¹。在自由能图中，同样的计算用艾林方程中的 ΔG‡，k = (k_B·T / h)·e^(−ΔG‡ / RT)。
反应能量图常见问题
怎么画反应能量图？
纵轴为能量、横轴为反应进程，左边画反应物的一小段水平线，右边画生成物，中间每一步画一个峰；再画从反应物能级到峰顶的 Ea 箭头和从反应物到生成物的 ΔH 箭头。 在这里你只需输入能量，例如“反应物 0，过渡态 75，生成物 −98 kJ/mol”，或者只给 Ea 和 ΔH，峰、两个箭头和它们的数值都会自动放好。
活化能的箭头从哪里开始画？
从能垒前紧邻的那个状态的能量开始：一步反应是反应物，后续步骤是前面的中间体；终点是该能垒的顶端。 不是从横轴或零点开始。在反应物 0、过渡态1 85、中间体 20、过渡态2 60 的两步反应中，第二步的 Ea 是 60 − 20 = 40，而不是 60。
如何从能量图判断反应是放热还是吸热？
比较两个能级：生成物低于反应物为放热（ΔH < 0），高于反应物为吸热（ΔH > 0）。 能垒高低与此无关；吸热反应的 Ea 可以很小，放热反应的 Ea 也可以很大。
过渡态和中间体有什么区别？
过渡态是峰，中间体是谷。 过渡态是一个基元反应的最高点，处于旧键断裂与新键形成之间，无法分离出来；中间体是真实存在的物种，在一步中生成、在下一步中消耗，如 SN1 中的碳正离子。n 步反应的能量图有 n 个过渡态和 n − 1 个中间体。
催化剂如何改变反应能量图？
在同样的反应物和生成物能级之间增加一条更低的路径：Ea 降低，ΔH 完全不变。 催化路径往往步骤更多、每步能垒更小，因为催化剂先结合反应物，再把转化后的产物释放出来。酶促反应能量图用两个谷表示酶-底物复合物（ES）和酶-产物复合物（EP）。催化剂同等程度地加快正、逆反应，不改变平衡。
怎样在能量图上找出决速步？
对大多数教材中的能量图来说，就是过渡态最高的那一步；严格地说，是从它前面最低点爬升最大的那一步。 两者可能不一致：反应物 0、过渡态1 50、中间体 −40、过渡态2 30、生成物 −60 时，过渡态1 更高，但第二步要从很低的中间体爬升 70，所以第二步才是决速步。让工具“标出决速步”，它就按这条规则处理你的数值。
SN1 和 SN2 的能量图是什么样的？
SN2 只有一个峰：旧键断裂与新键形成在同一个过渡态中同时发生，v = k[底物][亲核试剂]。SN1 有两个峰，中间的谷是碳正离子；第一个峰即电离步骤更高，是决速步，所以 v = k[底物]。 碳正离子越稳定（叔碳而非伯碳），这个中间体和通向它的能垒就越低。
势能图、焓变图和自由能图有什么区别？
只是纵轴的物理量不同。 中学课程常称能量或势能，热化学用焓 H，有机化学、生物化学和计算化学则用吉布斯自由能 G，能垒记为 ΔG‡，总变化记为 ΔG°。说明你需要哪一种，或直接写“自由能”，坐标轴和箭头的标注会随之调整。
化学键的势能曲线表示什么？
表示两个原子的能量随它们之间距离的变化。 相距很远时能量为零；靠近时能量下降，在键长处达到最低，再靠近则因原子核互相排斥而急剧上升。H₂ 的最低点在 74 pm。教材常把势阱深度标为 436 kJ·mol⁻¹，即键焓；严格地说势阱深度 Dₑ 为 458 kJ·mol⁻¹，从最低振动能级解离所需的能量 D₀ 为 432 kJ·mol⁻¹。写上你想印在图上的数值，标注就用它。
AI 会改动我的能量或编造数值吗？
不会。每个能级、每个 Ea 和 ΔH、纵轴刻度和决速步都在生成图片之前根据你的数值算好，图像模型只负责把它们画到位。 只有你给出的数值，或能由你的数值直接得出的数值（如由两个已知能级得到的 Ea）才会印在图上。不给数值的请求会画成只带 Ea、ΔH 符号的示意图，不标任何数值。
参考资料
- 12.7 Catalysis — OpenStax，《Chemistry 2e》
- 4.4: Ea and Catalysts — LibreTexts 化学，补充模块（动力学）
