普通化学/反应速率

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单位: 物质 · 原子结构 · 键合 · 反应 · 溶液 · 物质的相 · 平衡 · 动力学 · 热力学 · 元素
附录: 元素周期表 · 单位 · 常数 · 方程 · 还原电势 · 元素及其性质

引言

化学体系的反应速率为热力学和化学平衡中的许多理论提供了基础。

基元反应是一个步骤的过程，其中反应物在没有任何中间步骤的情况下转化为产物。反应是单分子（A → 产物）或双分子（A + B → 产物）。非常罕见的是，它们可能是三分子（A + B + C → 产物），但这并不常见，因为三个分子同时碰撞的可能性很小。

一个复杂反应是由多个基元反应组成的，其中一个反应的产物成为下一个反应的反应物，直到整个反应完成。

$m{\hbox{A}}+n{\hbox{B}}\rightarrow p{\hbox{C}}+q{\hbox{D}}$	考虑一个任意化学反应。
$r=k[{\hbox{A}}]^{m}[{\hbox{B}}]^{n}$	产物从反应物中形成的速率由该速率方程给出。
$r=k[{\hbox{C}}]^{p}[{\hbox{D}}]^{q}$	逆反应（也以较小的程度发生）的速率有其自身的速率方程。

注意 [A] 被提升到 m 次方，即其系数，就像平衡表达式一样。反应速率可能依赖于反应物物种的摩尔系数，但也可能不依赖。但是，对于基元反应，物种 A 和 B 的浓度始终被提升到它们的摩尔系数。这仅适用于基元反应，这是一个非常重要的区别。

方程的级数是指速率方程中物质的浓度被提升到的次数。数字越大，它对速率的影响就越大。例如，零级方程不影响速率。要找到级数，您必须改变一种浓度并保持其他浓度相同。除法给出一个方程，该方程可用于求解级数。要找到总级数，只需将所有级数加在一起。

零级方程不依赖于反应物的浓度。

$r=k\,$	只有速率常数，没有浓度。速率可能取决于温度，以及其他因素，例如表面积、阳光强度或任何其他因素，但浓度除外。这些反应通常发生在物质与某种催化剂或固体表面反应时。
$[{\hbox{A}}]=[{\hbox{A}}]_{0}-kt\,$	积分速率方程告诉我们给定时间后将剩下多少反应物。积分速率方程可以使用微积分找到，但这并不必要。在这个零级积分速率方程中， $k$ 是速率方程中的速率常数， $t$ 是时间， $[{\hbox{A}}]_{0}$ 是起始浓度。

一级方程取决于单分子反应的浓度。

$r=k[{\hbox{A}}]\,$	有一个速率常数乘以反应物的浓度。与零级方程一样，该系数可以认为是一个常数，但实际上它随其他因素（如温度）而变化。反应中可能存在其他反应物，但它们的浓度不影响速率。一级方程常用于分解反应。
$\ln[{\hbox{A}}]=-kt+\ln[{\hbox{A}}]_{0}\,$	这是积分速率方程。
$t_{1/2}={\frac {\ln 2}{k}}\,$	反应的半衰期是指一半反应物变成产物所需的时间。一个半衰期是 50% 完成，两个半衰期会导致 75% 完成，三个半衰期 88%，依此类推。反应永远不会完全达到 100%，但它确实足够接近。要找到半衰期，你可以用代数方法处理积分速率方程。

二级方程取决于双分子反应的两个浓度。

$r=k[{\hbox{A}}][{\hbox{B}}]\,$	这是二级方程的速率方程。
$r=k[{\hbox{A}}]^{2}\,$	如果存在两种相同类型的分子相互反应，速率方程可以简化。
${\frac {1}{[{\hbox{A}}]}}={\frac {1}{[{\hbox{A}}]_{0}}}+kt\,$	在这种情况下，这是积分速率方程。
$t_{1/2}={\frac {1}{k[{\hbox{A}}]_{0}}}\,$	这是二级反应（只有一个反应物）的半衰期。

当正向和逆向速率相等时，将发生平衡。正如您可能已经注意到的，反应的平衡表达式等于速率方程除以。

$2{\hbox{NO}}_{2}\to {\hbox{N}}_{2}{\hbox{O}}_{4}$	考虑这个反应，二氧化氮的二聚成四氧化二氮。
$r_{f}=k_{f}[{\hbox{NO}}_{2}]^{2}\,$ $r_{r}=k_{r}[{\hbox{N}}_{2}{\hbox{O}}_{4}]\,$	正向反应速率为二级，逆向反应速率为一级。
$k_{f}[{\hbox{NO}}_{2}]^{2}=k_{r}[{\hbox{N}}_{2}{\hbox{O}}_{4}]\,$	这两个反应的速率系数可能不同。如果反应处于平衡状态，则正向和逆向速率必须相等。
$K_{eq}={\frac {k_{f}}{k_{r}}}={\frac {[{\hbox{N}}_{2}{\hbox{O}}_{4}]}{[{\hbox{NO}}_{2}]^{2}}}$	重新排列方程得到平衡表达式。