普通化學/反應速率

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附錄: 元素週期表 · 單位 · 常數 · 方程 · 還原電勢 · 元素及其性質

引言

化學體系的反應速率為熱力學和化學平衡中的許多理論提供了基礎。

基元反應是一個步驟的過程，其中反應物在沒有任何中間步驟的情況下轉化為產物。反應是單分子（A → 產物）或雙分子（A + B → 產物）。非常罕見的是，它們可能是三分子（A + B + C → 產物），但這並不常見，因為三個分子同時碰撞的可能性很小。

一個複雜反應是由多個基元反應組成的，其中一個反應的產物成為下一個反應的反應物，直到整個反應完成。

$m{\hbox{A}}+n{\hbox{B}}\rightarrow p{\hbox{C}}+q{\hbox{D}}$	考慮一個任意化學反應。
$r=k[{\hbox{A}}]^{m}[{\hbox{B}}]^{n}$	產物從反應物中形成的速率由該速率方程給出。
$r=k[{\hbox{C}}]^{p}[{\hbox{D}}]^{q}$	逆反應（也以較小的程度發生）的速率有其自身的速率方程。

注意 [A] 被提升到 m 次方，即其係數，就像平衡表示式一樣。反應速率可能依賴於反應物物種的摩爾係數，但也可能不依賴。但是，對於基元反應，物種 A 和 B 的濃度始終被提升到它們的摩爾係數。這僅適用於基元反應，這是一個非常重要的區別。

方程的級數是指速率方程中物質的濃度被提升到的次數。數字越大，它對速率的影響就越大。例如，零級方程不影響速率。要找到級數，您必須改變一種濃度並保持其他濃度相同。除法給出一個方程，該方程可用於求解級數。要找到總級數，只需將所有級數加在一起。

零級方程不依賴於反應物的濃度。

$r=k\,$	只有速率常數，沒有濃度。速率可能取決於溫度，以及其他因素，例如表面積、陽光強度或任何其他因素，但濃度除外。這些反應通常發生在物質與某種催化劑或固體表面反應時。
$[{\hbox{A}}]=[{\hbox{A}}]_{0}-kt\,$	積分速率方程告訴我們給定時間後將剩下多少反應物。積分速率方程可以使用微積分找到，但這並不必要。在這個零級積分速率方程中， $k$ 是速率方程中的速率常數， $t$ 是時間， $[{\hbox{A}}]_{0}$ 是起始濃度。

一級方程取決於單分子反應的濃度。

$r=k[{\hbox{A}}]\,$	有一個速率常數乘以反應物的濃度。與零級方程一樣，該係數可以認為是一個常數，但實際上它隨其他因素（如溫度）而變化。反應中可能存在其他反應物，但它們的濃度不影響速率。一級方程常用於分解反應。
$\ln[{\hbox{A}}]=-kt+\ln[{\hbox{A}}]_{0}\,$	這是積分速率方程。
$t_{1/2}={\frac {\ln 2}{k}}\,$	反應的半衰期是指一半反應物變成產物所需的時間。一個半衰期是 50% 完成，兩個半衰期會導致 75% 完成，三個半衰期 88%，依此類推。反應永遠不會完全達到 100%，但它確實足夠接近。要找到半衰期，你可以用代數方法處理積分速率方程。

二級方程取決於雙分子反應的兩個濃度。

$r=k[{\hbox{A}}][{\hbox{B}}]\,$	這是二級方程的速率方程。
$r=k[{\hbox{A}}]^{2}\,$	如果存在兩種相同型別的分子相互反應，速率方程可以簡化。
${\frac {1}{[{\hbox{A}}]}}={\frac {1}{[{\hbox{A}}]_{0}}}+kt\,$	在這種情況下，這是積分速率方程。
$t_{1/2}={\frac {1}{k[{\hbox{A}}]_{0}}}\,$	這是二級反應（只有一個反應物）的半衰期。

當正向和逆向速率相等時，將發生平衡。正如您可能已經注意到的，反應的平衡表示式等於速率方程除以。

$2{\hbox{NO}}_{2}\to {\hbox{N}}_{2}{\hbox{O}}_{4}$	考慮這個反應，二氧化氮的二聚成四氧化二氮。
$r_{f}=k_{f}[{\hbox{NO}}_{2}]^{2}\,$ $r_{r}=k_{r}[{\hbox{N}}_{2}{\hbox{O}}_{4}]\,$	正向反應速率為二級，逆向反應速率為一級。
$k_{f}[{\hbox{NO}}_{2}]^{2}=k_{r}[{\hbox{N}}_{2}{\hbox{O}}_{4}]\,$	這兩個反應的速率係數可能不同。如果反應處於平衡狀態，則正向和逆向速率必須相等。
$K_{eq}={\frac {k_{f}}{k_{r}}}={\frac {[{\hbox{N}}_{2}{\hbox{O}}_{4}]}{[{\hbox{NO}}_{2}]^{2}}}$	重新排列方程得到平衡表示式。