最常見的一些化學反應(yīng),盡管在形式上十分簡單,但從化學反應(yīng)動力學的觀點來看,往往是十分復雜的。例如:溴化氫的合成,其總包反應(yīng)的化學計量方程為:
H2+Br2 → 2HBr (1.1)
這并不意味著一個氫分子逕直地與一個溴分子直接反應(yīng)生成兩個溴化氫分子。事實上,這個總反應(yīng)是由以下一些基元反應(yīng)所組成的,
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)
以上每一個基元反應(yīng)又是由許許多多基元化學物理反應(yīng)所組成。同一基元反應(yīng)的不同基元化學物理反應(yīng),參加反應(yīng)和生成的化學粒子(分子、原子、離子或自由基)其宏觀的化學性質(zhì)是等同的,都可以用如上所示的化學反應(yīng)式來表征。但是它們的微觀的物理性質(zhì)有所不同。例如,粒子運動可以處于不同的量子數(shù)的狀態(tài),粒子間相對的空間配置,速度的大小和方向等微觀性質(zhì)彼此可以有所異差,因此,從理論上考慮,化學反應(yīng)動力學的原理大致包括以下四方面的問題。
① 對于微觀的基元化學物理反應(yīng)進行分子水平和量子狀態(tài)的研究。這部分的理論完全是微觀性質(zhì)的,原則上講應(yīng)該用量子理論進行處理。
② 從微觀的基元化學物理反應(yīng)的行為出發(fā),探討宏觀的基元反應(yīng)的動力學行為;從個別的微觀性質(zhì)來尋求平均的宏觀性質(zhì)。這是從微觀到宏觀過渡的理論。從本質(zhì)上講,這些理論具有統(tǒng)計平均的性質(zhì)。
③ 以基元反應(yīng)動力學的行為作為已知的出發(fā)點來推求總包反應(yīng)的動力學行為。由于基元反應(yīng)本身屬于宏觀范疇,因此,這部分理論當然也是宏觀的。由于這里不去追究基元反應(yīng)動力學行為的由來,所以探討是唯象的。但另一方面由于基元反應(yīng)是總包反應(yīng)的內(nèi)稟的成分,因此也有一定的內(nèi)稟性質(zhì)。此為化學反應(yīng)動力學的經(jīng)典理論。
④ 以總包反應(yīng)動力學的行為作為出發(fā)點來研究化學反應(yīng)與流動、傳質(zhì)、傳熱等物理過程相互作用的后果,這類理論和化工生產(chǎn),反應(yīng)器設(shè)計等課題密切相關(guān),習慣上常稱之為宏觀動力學。但如上所述,第③種理論也是宏觀的。
上述四種理論中①是微觀的,③與④是宏觀的、②是從微觀到宏觀過渡的理論,但這與化工上的習慣是不盡相同的。
對于上述四方面理論的前兩種,常歸之于反應(yīng)動態(tài)學,當然反應(yīng)動態(tài)學也是反應(yīng)動力學的一個重要組成部分。從化學反應(yīng)動力學的理論構(gòu)架考慮應(yīng)依上述次序排列。
應(yīng)該注意:總包反應(yīng)、基元反應(yīng)與基元化學物理反應(yīng)是對立統(tǒng)一的,它們之間既有區(qū)別而又密切相關(guān)。這和空氣、氧和氮等單質(zhì)與分子之間的關(guān)系是相似的。微觀的分子集合為宏觀的單質(zhì)(或組元),若干種單質(zhì)結(jié)合為混合物料(空氣)。類似地,微觀的基元化學物理反應(yīng)集合為宏觀的基元反應(yīng),若干種基元反應(yīng)結(jié)合為總包反應(yīng)。這里包含著局部與整體、原因與結(jié)果,現(xiàn)象與本質(zhì)等辯證統(tǒng)一的關(guān)系。
若總包反應(yīng)只包含一種基元反應(yīng)時,這樣的總包反應(yīng)稱為簡單反應(yīng)(simple reaction)。反之,包含不止一種基元反應(yīng)的總包反應(yīng)稱為復雜反應(yīng)(complex reaction)。這與純物料(包含一種組元)與混合物料(包含多種組元)可作類比。