物理化学所有公式（工科化学三一）

4.3化学平衡和反应速率

4.3.1化学反应速率

在化学热力学的研究中，我们引入了焓、熵、吉布斯函数这三个概念，了解了化学反应的能量释放，掌握判定一个化学的方向的方法。接下来的这一节课我们要讲的是化学动力学和化学平衡的问题。热力学判定了反应的方向，动力学表示反应进行的快慢。

4.3.1.1化学反应速率的定义

化学反应速率差别很大。反应速率不是反应速度，速度是矢量，速率不是矢量，化学反应速率虽然也有正负，但不遵守平行四边形规则，所以不是矢量。

我们先看三个化学反应的反应速率：

1）酸碱中和反应NaOH HCl=NaCl H2O：反应时间小于0.1s

2）橡胶老化反应: 室温下需要2年以上

3）煤/石油的形成:完成需要天文单位的时间（上百万年）

不同的反应速率相差很大，那么这也是为什么要研究速率的原因

例：N2 3H2=2NH3 ΔrGmϴ=-16.4kJ·mol-1,

合成氨的反应，其标准摩尔吉布斯函数变为负值，理论上反应可以在25℃自发反应，但在工业生产中，通常采用500℃和20~50MPa下生产，原因就是室温下反应速率太慢（要是常温下放置10万年以上，氢气和氨气也能大部分转化成氨气）。热力学研究的是可能性，动力学研究的是现实性。

化学反应速率：在一定条件下，反应物或者生产物在单位时间内的浓度变化

影响因素：反应物/生产物的种类、反应物/生产物的系数、反应时间

化学反应速率的定义

IUPAC是国际上化学上最高的技术机构，一般学术上的争端和争论都是它有“最高解释权”。

速率方程式与反应级数

研究化学反应的速率，就必须要讲到反应级数

化学反应级数

0级反应,(n=0)速率恒定 (与反应物浓度无关)

1级反应,(n=1)速率与反应物浓度呈正比

2级反应,(n=2)速率与反应物浓度的2次方成正比

以此类推……

PS:由于许多反应过程的中间步骤我们并不了解，所以许多反应的级数无法确认，这个公式仅在一定范围内有指导意义

4.3.1.2活化分子与活化能

关于化学反应速率的理论研究，现在最有说服力的是活化理论

化学反应本质上是原子的重排，是原子的外层电子的被打乱和重组，只有相互碰撞的分子才能相互发生碰撞，并且相互碰撞的分子要有打开反应物化学键的能量才能发生反应，这种具有高能量的分子叫做活化分子，非活化的分子转化为活化分子所吸收的能量叫做活化能。

从热力学上讲，铝热反应是一个反应趋势很大的放热反应

铝热反应是一个放热反应，但常温下把单质铝与氧化铁放在一起并不能发生反应。这是因为在开始时，铝分子和氧化铁分子都不是活化分子，反应需要先加热，让铝分子和氧化铁分子变为活化分子，然后发生反应，而反应是放热过程，放出来的热使其他的铝分子和氧化铁分子活化，反应得以持续进行，而加热过程只需要在反应开始进行就可以停止了。

活化能

化学反应的本质是原子的重新排列，要打乱原有的原子排列顺序，克服新原子重新排序的相互之间的斥力，需要施加一定的能量。这就是活化能的宏观体现。

活化能的定义

上图中的正反应活化能就是E1，逆反应的活化能是E2，正反应的焓变就是E1-E2的数值。我们可以看出，如果E1数值很小，意味着活化能很小，活化分子就很多，反应就容易进行，意味着反应速率就会很大。反之亦然。

思考题：活化能可以是0和负数吗？（答案见评论区）

下一节讲化学反应速率的影响因素