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化学反应动力学的逻辑结构


实验室k / 2018-11-30

        最常见的一些化学反应,尽管在形式上十分简单,但从化学反应动力学的观点来看,往往是十分复杂的。例如:溴化氢的合成,其总包反应的化学计量方程为:

H2+Br2 → 2HBr          (1.1)

这并不意味着一个氢分子迳直地与一个溴分子直接反应生成两个溴化氢分子。事实上,这个总反应是由以下一些基元反应所组成的,

Br2 → 2Br          (1.2a)

Br+H2 → HBr+H          (1.2b)

H+Br2 → HBr+Br          (1.2c)

H+HBr → H2+Br          (1.2d)

2Br → Br2          (1.2e)

化学反应动力学的逻辑结构

以上每一个基元反应又是由许许多多基元化学物理反应所组成。同一基元反应的不同基元化学物理反应,参加反应和生成的化学粒子(分子、原子、离子或自由基)其宏观的化学性质是等同的,都可以用如上所示的化学反应式来表征。但是它们的微观的物理性质有所不同。例如,粒子运动可以处于不同的量子数的状态,粒子间相对的空间配置,速度的大小和方向等微观性质彼此可以有所异差,因此,从理论上考虑,化学反应动力学的原理大致包括以下四方面的问题。

       ① 对于微观的基元化学物理反应进行分子水平和量子状态的研究。这部分的理论完全是微观性质的,原则上讲应该用量子理论进行处理。

       ② 从微观的基元化学物理反应的行为出发,探讨宏观的基元反应的动力学行为;从个别的微观性质来寻求平均的宏观性质。这是从微观到宏观过渡的理论。从本质上讲,这些理论具有统计平均的性质。

       ③ 以基元反应动力学的行为作为已知的出发点来推求总包反应的动力学行为。由于基元反应本身属于宏观范畴,因此,这部分理论当然也是宏观的。由于这里不去追究基元反应动力学行为的由来,所以探讨是唯象的。但另一方面由于基元反应是总包反应的内禀的成分,因此也有一定的内禀性质。此为化学反应动力学的经典理论。

       ④ 以总包反应动力学的行为作为出发点来研究化学反应与流动、传质、传热等物理过程相互作用的后果,这类理论和化工生产,反应器设计等课题密切相关,习惯上常称之为宏观动力学。但如上所述,第③种理论也是宏观的。

       上述四种理论中①是微观的,③与④是宏观的、②是从微观到宏观过渡的理论,但这与化工上的习惯是不尽相同的。

       对于上述四方面理论的前两种,常归之于反应动态学,当然反应动态学也是反应动力学的一个重要组成部分。从化学反应动力学的理论构架考虑应依上述次序排列。

       应该注意:总包反应、基元反应与基元化学物理反应是对立统一的,它们之间既有区别而又密切相关。这和空气、氧和氮等单质与分子之间的关系是相似的。微观的分子集合为宏观的单质(或组元),若干种单质结合为混合物料(空气)。类似地,微观的基元化学物理反应集合为宏观的基元反应,若干种基元反应结合为总包反应。这里包含着局部与整体、原因与结果,现象与本质等辩证统一的关系。

       若总包反应只包含一种基元反应时,这样的总包反应称为简单反应(simple reaction)。反之,包含不止一种基元反应的总包反应称为复杂反应(complex reaction)。这与纯物料(包含一种组元)与混合物料(包含多种组元)可作类比。


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