结构生物化学/速率定律

在学习化学时，重要的是要考虑反应物的化学性质以及反应发生的条件，反应发生的机制，反应发生的速率以及反应进行的方向。质量作用定律指出，在恒定温度下，化学反应的速率仅取决于影响速率的物质的浓度，这些物质通常是反应物之一或多个，但偶尔也可能是产物。对速率的另一个影响可能是催化剂的存在，催化剂不会出现在平衡的化学方程式中。速率定律只能通过实验确定，并可用于预测反应速率与反应物浓度之间的关系。

速率方程

对于几乎所有正向和不可逆反应，速率与反应物浓度的乘积成正比，每个反应物浓度都乘以某个指数。例如，对于反应 aA+bB-> cC +dD，速率与 [A]^m[B]^n 成正比，即：速率 = k[A]^m[B]^n k 为速率常数。将 k 的单位乘以浓度因子乘以相应的幂，得到单位为：浓度/时间。比例因子 k 称为速率常数，在特定温度下为常数。该常数具有维度，可以通过特定速率定律的量纲分析轻松确定。众所周知，随着 k 值的增加，反应速度会增加。

通过实验确定速率定律

速率定律方程中 k（常数）、x 和 y 的值（速率 = [A]^m[B]n）必须在给定温度下针对给定反应进行实验测定。速率测量为反应物 A 和 B 初始浓度的函数。

反应级数

化学反应通常根据动力学分类为零级反应、一级反应、二级反应、混合级反应或更高级反应。一般的反应 aA + bB → cC + dD 将在下文的讨论中使用。首先让我们注意到这些级数在反应初始速率影响方面意味着什么

1. 反应物为零级——对反应的初始速率没有影响
2. 反应物为一级——反应的初始速率翻倍
3. 反应物为二级——反应的初始速率增加四倍
4. 反应物为三级——反应的初始速率增加八倍

速率定律方程

$-r_{A}=k_{A}(T)fn(C_{A},C_{B},...)$

$k_{A}$ 是反应的特定速率，也称为速率常数。

一般来说，速率定律涉及四种反应。均相反应仅包含一个相。非均相反应包含两个或多个相，通常出现在相之间的界面处。可逆反应取决于反应物和产物的浓度，这些反应物和产物可以在两个方向上反应。不可逆反应仅在一个方向上反应，直到其中一个反应物耗尽。

一般来说，反应级数有四种类型。最常见的是

$-r_{A}=k_{A}C_{A}^{a}C_{B}^{b}$

特定反应速率常数的单位为

$k=(Concentration)^{1-n}/Time$

四种反应级数类型

• 零级 (n=0)：$-r_{A}=k_{A}$

零级的 k 的单位为 $mol/dm^{3}/s$

• 一级 (n=1)：$-r_{A}=k_{A}C_{A}$

一级反应的速率常数k的单位是 $s^{-1}$

• 二级反应 (n=2): $-r_{A}=k_{A}C_{A}^{2}$

二级反应的速率常数k的单位是 $dm^{3}/mol/s$

• 三级反应 (n=3): $-r_{A}=k_{A}C_{A}^{3}$

三级反应的速率常数k的单位是 $(dm^{3}/mol)^{2}/s$

参考文献

Fogler, H. Scott. "第三章." 化学反应工程基础. 上萨德尔河，新泽西州: 普伦蒂斯-霍尔, 2011. 无页码. 打印版.