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'''化学动力学'''也称'''反应动力学'''、'''化學反應動力學'''，是[[物理化学]]的一个分支，研究[[化学反应]]的[[反应速率]]及[[反应机理]]。它的主要研究领域包括：[[分子反应动力学]]、[[催化动力学]]、[[基元反应动力学]]、[[宏观动力学]]、[[表观动力学]]等，也可依不同[[:Template:化学分支|化学分支]]分类为[[有机反应动力学]]及[[无机反应动力学]]。化学动力学往往是[[化學工程|化工]]生产过程中的决定性因素。

化学动力学与[[化学热力学]]不同，不是计算达到[[反应平衡]]时反应进行的程度或[[转化率]]，而是从一种动态的角度观察化学反应，研究反应系统转变所需要的时间，以及这之中涉及的微观过程。化学动力学与[[热力学]]的基础是[[统计力学]]、[[量子力学]]和[[分子运动论]]。

[[File:Molecular-collisions.jpg|thumb|right|400px|[[碰撞理论]]预测了[[反应速率]]会随着[[反应物]]浓度上升而增加。]]

== 反应速率 ==
{{main|反应速率}}
[[反应速率]]是[[化学反应]]快慢程度的量度，广义地讲是参与反应的物质的量随时间的变化量的[[绝对值]]，分为[[平均速率]]与[[瞬时速率]]两种。平均速率是反应进程中某时间间隔（Δ''t''）内参与反应的物质的量的变化量，可用单位时间内[[反应物]]的减少量或[[产物 (化学)|生成物]]的增加量来表示；瞬时速率是[[浓度]]随时间的变化率，即浓度-时间图像上函数在某一特定时间的[[切线]][[斜率]]。

用实验方法测定反应速率受反应物量或浓度影响的定量[[方程]]称为[[速率方程]]，速率方程中各浓度的[[冪運算|指数]]称为相应物质的[[反应级数]]，它们的和称为“总反应级数”，也可简称“反应级数”。反应的级数是不能由[[化学方程式]]的类型推断的，常见的级数反应如[[零级反应]]、[[一级反应]]、[[二级反应]]，都会有各自不同的速率方程。速率方程中的常数''k''称为[[速率常数]]，可看作单位浓度下的反应速率。建立速率方程时一般采取两种方法：作图法与初速法。

控制化学反应速率是许多实践活动的需要。绝大多数化学反应的速率都是随着反应进行而不断减慢的，并且同一反应，在不同[[浓度]]、[[温度]]、[[压力]]、[[相态]]下，是否使用[[催化剂]]以及使用不同的催化剂，都会对反应速率造成不同的影响。

== 影响速率的因素 ==
===反应物性质===
化学反应的速率自然与[[反应物]]的结构与性质有着很大的关系。[[爆炸]]反应、[[强酸]]与[[强碱]]的[[中和反应]]以及[[离子交换]]反应的速率非常快，但岩石的[[风化]]、[[钟乳石]]的生长以及[[铀]]的[[放射性衰變|衰变]]等，却需要千百万年才有显著的变化。一般而言，生成[[共价键]]和大分子的反应速率比较慢。

有些[[热力学]]可行的反应，在动力学上却因为速率太慢而几乎不发生，如常温下[[氢]][[氧]]化合生成[[水]]，[[金刚石]]在常温常压下转化为[[石墨]]等。一般限制这些反应发生的因素，称为动力学因素，可归咎于反应物的结构、[[化学键]]的类型及[[过渡态]]方面。

===状态===
反应物的[[相态|状态]]（[[固态]]、[[液态]]、[[气态]]、[[溶液]]态）对反应速率也有很大的影响。一般而言，速率决定于反应物接触[[表面积]]与[[体积]]的比值，该比值越大，反应速率越快。因此，均相反应中反应物接触较充分，速率较快，如[[水溶液]]中的中和反应及[[沉淀]]反应；异相反应中的反应物只限于在接触面反应，速率较慢，且一般需要剧烈摇晃或搅拌容器，以充分混合使反应物接触面积增大。固体为粉末状或块状对反应也有影响，粉末状的固体接触表面积较大，反应较快。

[[有机化学]]中的{{link-en|水相反应|On water reaction}}是异相反应比均相反应快的一个例子。

===浓度===
反应物及生成物的[[浓度]]也会在很大程度上左右化学反应速率。根据[[碰撞理论]]，反应物浓度增加时，反应中的分子碰撞频率——即“[[频率因子]]”增加，反应速率加快。而根据[[速率方程]]，反应速率''r''与一个或多个反应物或其指数的浓度<math>c</math>成正比，因此增加反应物浓度无疑会使反应速率增大。
对于反应级数为负数的反应，增加反应物浓度则会使反应速度降低。

===温度===
[[温度]]升高，化学反应的速率增大，无论是[[放热反应]]还是[[吸热反应]]，都是如此。分子在高温时[[热能]]及振动能增大，与其他反应物碰撞的频率也会随此增多，使化学反应加快。粗略计算温度对反应速率的影响时，常会提到[[阿伦尼乌斯方程]]，形式如下：
::<math>k = A e^{{-E_a}/{RT}}</math>

该式中的<math>k</math>是速率常数，<math>T</math>是温度，<math>R</math>是气体常数，<math>A</math>和<math>E_a</math>是两个参数，分别称为“[[指前因子]]”和“[[活化能]]”。指前因子和活化能的值随温度而变化，但[[阿伦尼乌斯]]对它们采取[[线性化]]处理，以简化该方程。事实证明，大多数反应在一定温度区间作该近似是完全允许的。

温度对速率常数''<math>k</math>''的影响在于''<math>A</math>''后的指数项，化学反应速率随温度升高而增大的快慢，与它的<math>E_a</math>值有关。同一温度区间内，<math>E_a</math>越小的反应，温度升高速率增大得越快，<math>E_a</math>值增大会使温度升高速率减慢。由于该方程是[[指数函数]]，因此''T''的微小变化会使速率常数发生很大的变化。

===催化剂===
[[File:Activation energy.svg|thumb|right|292px|[[催化剂]]对反应历程的影响。催化剂会使反应物经由一条不同的反应途径，以红色标注，而该反应途径的[[活化能]]更低，更易发生。]]
[[催化剂]]是可以改变反应速率但在反应前后并不改变组成的物质，通常不包括反应[[溶剂]]。根据催化剂的状态，可将其分类为[[均相催化剂]]和[[异相催化剂]]；从催化剂加快还是减慢反应速率的角度，可把催化剂分类为[[正催化剂]]和[[负催化剂]]两大类。[[过渡态理论]]认为，催化剂之所以可以加快反应速率，是因为它改变了[[反应机理|反应途径]]，生成了不同的活化络合物而降低了[[活化能]]。催化剂不会影响达到平衡时的各组分浓度，它影响的只是达到平衡的速度快慢。

*[[自催化]]反应中，反应产物自身即扮演反应的催化剂。
*具有催化功效的[[蛋白质]]称为[[酶]]。[[米氏方程]]是描述[[酶动力学]]时很重要的方程。
*一些[[有机反应]]中，[[邻基参与效应]]的存在也会对反应速率造成影响。

搅拌溶液会增加微粒的[[动能]]，增加反应物之间的碰撞频率，从而使反应速率增大。

有气体参与的反应中，增加气体的[[分压]]也会使反应物之间的碰撞频率增大，气体的[[活度]]增加，从而使化学反应速率变快。

此外，过渡态理论认为[[活化熵]]也是影响化学反应速率的因素。若将化学反应过程比作翻越山岭，那么活化能类似于山峰的高度，活化熵则是找到爬山方位的容易程度。其值越大，代表越容易找到爬坡的方位，反应物越容易被转化为活化[[络合物]]。有些[[蛋白酶]]催化的[[蛋白]][[水解反应]]中，虽然用酶作催化剂时的活化能要比用[[酸]]催化时高出12kJ/mol，但酶催化的速率仍然要高得多。这就可以用活化熵的概念来解释。

==實驗方法==
量測反應速率的實驗方法會量測反應物及生成物濃度隨時間的變化。例如，反應物的濃度可用光譜光度測定法量測，針對只受反應物影響，系統其他反應物或生成物都不會吸收其能量的波長來進行行量測。

若是針對需要幾分鐘才會進行的反應，可以讓反應物都先到達需要的溫度，再混合反應物啟動反應，並且開始量測。
===快速反应===
針對一些快速反应（反應[[半衰期]]很短，半衰期接近（或是小於）混合反應物所需時間，或是將反應物升溫/降溫到特定溫度的時間）<ref name=Laidler>Keith J. Laidler, K. J. ''Chemical Kinetics'' (3rd ed., Harper and Row 1987) p.33-39 {{ISBN|0-06-043862-2}}</ref>。有一些特殊的技術可以啟動快速反应，不需要緩慢的反應物混合步驟，這些技術包括：
*{{le|阻碍流动|Stopped-flow}}，可以將混合反應物需要的時間縮小到毫秒（ms）的等級<ref name=Laidler/><ref>Espenson, J.H. ''Chemical Kinetics and Reaction Mechanisms'' (2nd ed., McGraw-Hill 2002), p.254-256 {{ISBN|0-07-288362-6}}</ref><ref name=Atkins793>Atkins P. and de Paula J., ''Physical Chemistry'' (8th ed., W.H. Freeman 2006) p.793 {{ISBN|0-7167-8759-8}}</ref>。
*{{le|闪光光解|Flash photolysis}}，是用雷射脈波產生像[[自由基]]之類高活性的化學物質，再研究其相關的反應<ref name=Atkins793/><ref>Laidler, K.J. ''Chemical Kinetics'' (3rd ed., Harper and Row 1987) p.359-360 {{ISBN|0-06-043862-2}}</ref><ref>Espenson, J.H. ''Chemical Kinetics and Reaction Mechanisms'' (2nd ed., McGraw-Hill 2002), p.264-6 {{ISBN|0-07-288362-6}}</ref><ref>Steinfeld J.I., Francisco J.S. and Hase W.L. ''Chemical Kinetics and Dynamics'' (2nd ed., Prentice-Hall 1999) p.94-97 {{ISBN|0-13-737123-3}}</ref>。
*[[弛豫 (化學)|化學弛豫]]法（例如{{le|溫度躍變|temperature jump}}法或是{{le|壓力躍變|pressure jump}}法），會將預混合的系統先維持在平衡狀態下，再用快速的加熱或是卸壓使系統不平衡，透過系統由不平衡恢復到平衡的過程中，即可進行量測<ref name=Laidler/><ref>Espenson, J.H. ''Chemical Kinetics and Reaction Mechanisms'' (2nd ed., McGraw-Hill 2002), p.256-8 {{ISBN|0-07-288362-6}}</ref><ref>Steinfeld J.I., Francisco J.S. and Hase W.L. ''Chemical Kinetics and Dynamics'' (2nd ed., Prentice-Hall 1999) p.140-3 {{ISBN|0-13-737123-3}}</ref><ref name=Atkins805>Atkins P. and de Paula J., ''Physical Chemistry'' (8th ed., W.H. Freeman 2006) pp.805-7 {{ISBN|0-7167-8759-8}}</ref>。例如曾用此方式量測過<chem>H3O^+ + OH-</chem>的[[中和反应]]，在一般情形下，半衰期不會大於1μs<ref name=Laidler/><ref name=Atkins805/>。

== 反应平衡 ==
{{main|反应平衡}}
[[热力学]]研究反应达到[[反应平衡]]时的状态。在[[可逆反应]]中，反应物与产物达到动态平衡，正向反应与逆向反应的速率相等，反应物与产物的浓度不再发生变化。它可通过[[哈伯法]]合成[[氨]]、[[化学振荡反应]]如[[Belousov-Zhabotinsky反应]]（[[B-Z反应]]）、[[碘钟反应]]等多组分反应过程来进行演示。

== 反应机理 ==
{{main|反应机理}}
虽然[[化学方程式]]中各物质的计量比看似简单，但微观上，一个化学反应通常是经过几步完成的，描述化学反应的微观过程的化学动力学分支称为[[反应机理]]。反应机理中，每一步反应称作[[基元反应]]，基元反应中反应物的分子数总和称为[[反应分子数]]。反应机理由一个或多个基元反应所组成，这些基元反应的净反应即为表观上的化学反应。

这些基元反应中，反应速率最慢的一个称为[[速率控制步骤]]，简称“速控步”，是决定总反应的速率的步骤。正如从酒瓶中倒酒时，决定酒的流速的是瓶颈的直径一样，速率控制步骤对于整个化学反应的速率也有类似的效应，称为“瓶颈效应”。通常情况下，速控步后的任何基元反应对反应速率是丝毫没有贡献的。

为了由提出的反应机理推导出实验得到的速率方程，一般采取两种方法：[[平衡假设]]法和[[稳态近似]]法。前者方法中，假设互逆反应在反应中可以达到平衡，然后推出反应的速控步，进一步得到速控步的速率方程，并将该方程中不属于计量方程式的反应物用其他表达式代替；后者方法中，假设中间产物的浓度在反应过程中保持近似不变，并假设某一步为速控步，推导出最后的表象速率方程。

== 参见 ==
* [[碰撞理论]]
* [[阿伦尼乌斯方程]]
* [[比尔定律]]
* [[化学反应]]
* [[自催化反应]]

== 参考资料 ==
{{reflist}}
* ''Preparing for the Chemistry AP Exam''. Upper Saddle River, [[新泽西州|New Jersey]]: [[培生教育|Pearson Education]], 2004. 131-134. ISBN 0-536-73157-8
* [[北京师范大学]]，[[华中师范大学]]，[[南京师范大学]]无机化学教研室编。《无机化学》第四版上册。[[北京市|北京]]：[[高等教育出版社]]，2002年。ISBN 7-04-010768-6

== 外部链接 ==
* [http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch22/rateframe.html 化学动力学] {{Wayback|url=http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch22/rateframe.html |date=20110123162022 }}
* [http://www.chm.davidson.edu/ChemistryApplets/kinetics/ 化学动力学讲义与演示] {{Wayback|url=http://www.chm.davidson.edu/ChemistryApplets/kinetics/ |date=20090604052110 }}
* [https://web.archive.org/web/20051124110717/http://www.science.uwaterloo.ca/~cchieh/cact/c123/chmkntcs.html 化学动力学—沃特卢大学]
* [http://www.sci.wsu.edu/idea/ChemKinetics/ 化学动力学—华盛顿州立大学] {{Wayback|url=http://www.sci.wsu.edu/idea/ChemKinetics/ |date=20100312085553 }}
* [https://web.archive.org/web/20071007115948/http://cinarz.zdo.com/moodle/mod/resource/view.php?id=10 化学动力学笔记]

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{{化学分支}}
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[[Category:化学动力学| ]]