普通化学/反应机理

反应的逐步分解显示了它的机理，即反应物变成产物的实际过程。

化学家通常将反应的化学方程式写成一步，这仅仅显示了反应的净结果。然而，大多数化学反应发生在一系列称为基本反应的步骤中。所有这些基本反应必须加起来等于总的平衡方程式。这些基本步骤的完整序列称为反应机理。反应机理是反应物实际变成产物的逐步过程。它是反应的“如何”，而总的平衡方程式只显示了反应的“什么”。

速率决定步骤

有时，中间物质在过程中被创建，并在最终消失。以下是一个均相反应（其中产物和反应物都在同一相中）的示例

${\hbox{CO}}+{\hbox{NO}}_{2}\to {\hbox{CO}}_{2}+{\hbox{NO}}$

实际上，有两个反应以不同的速度发生。

• $2{\hbox{NO}}_{2}\to {\hbox{NO}}_{3}+{\hbox{NO}}$ (慢)
• ${\hbox{NO}}_{3}+{\hbox{CO}}\to {\hbox{NO}}_{2}+{\hbox{CO}}_{2}$ (快)

由于第一步是最慢的，整个反应必须等待它，因此被称为速率决定步骤。总反应速率几乎完全取决于最慢步骤的速率。其他步骤足够快，它们的速率可以忽略不计，因为它们一直在等待较慢的步骤完成。

为什么第一步比较慢？碰撞理论解释了粒子碰撞时是否会发生反应。粒子必须以最小能量和适当的方向碰撞，才能发生反应。

发生反应所需的最小能量称为活化能。粒子必须移动得足够快，才能使它们的碰撞满足活化能。如果没有必要的能量，粒子就会相互弹开，不会发生反应。活化能的一个很好的例子是丁烷打火机，它需要火花才能使液体燃烧。火花为粒子提供了足够的能量，使它们的碰撞有效。

活化能高的反应将比活化能低的反应慢。当活化能很高时，较少的粒子可能在碰撞时产生所需的能量。断裂键，特别是断裂双键或三键的反应，将具有更高的活化能。

粒子还必须以适当的方向碰撞。例如，上面动画中的反应显示铵离子与 NCO^- 离子反应。为了使反应发生，铵离子必须与 NCO^- 的氮碰撞。如果离子没有在正确的位置以正确的方向碰撞，反应就无法发生。

对碰撞粒子的方向有非常具体要求的反应将慢得多。无需特定方向就能发生的反应将更快。

确定基本步骤模型的有效性

为了使提出的基本步骤方程式有效，它必须满足以下要求。

1. 慢速步骤的速率方程必须与总反应的速率方程匹配。

2. 所有基本步骤的反应物和产物加在一起必须等于实际方程式的反应物和产物。

3. 基本步骤的速率定律必须能够在没有中间体浓度的情况下写出，因为中间体太小，无法准确测量。

例如，如果给出这个方程式并要求证明速率机理

方程式 ${\hbox{2O}}_{3}\to {\hbox{3O}}_{2}$

提出的机理

${\hbox{O}}_{3}\to {\hbox{O}}_{2}+{\hbox{O}}$ (快速)

${\hbox{O}}_{3}+{\hbox{O}}\to {\hbox{2O}}_{2}$ (缓慢)

$rate=k[O_{3}]^{2}$

我们知道，当反应反向进行时，k 会从 k 变为 k^-1。因此，我们将 O₃ 的反向速率代入缓慢步骤，然后求出缓慢步骤的速率方程。我们发现它与总方程的速率定律相同，并满足上述三个标准，因此该机理是有效的。