化學動力學在反應程序中的重要性和舉例說明
完成日期：2023年10月27日
作者：徐璐穎劉薇吳亦歌劉春巨集戴安婧劉樹青
生命科學院
指導老師：王睿博
一摘要 在日常生活和化學生產過程中涉及到的化學反應的反應速率與化學動力學
密切相關。通過列舉實際生產生活中的具體事例來說明化學動力學在反應程序中
的影響。
二前言 討論背景：乙個化學反應的反應速率與化學動力學緊密相關。而在化學生產過程中，化學反應速率與化學反應程度同樣都會影響生產成本。
討論意義：可以通過從化學動力學方向來考慮，從而在生產過程中相應的降低反應成本提高反應速率和生產效率。
三、內容
（一）化學動力學
1、概念簡介
化學動力學也稱反應動力學、化學反應動力學，是物理化學的乙個分支，研究化學反應的反應速率及反應機理。它的主要研究領域包括：分子反應動力學、催化動力學、基元反應動力學、巨集觀動力學、表觀動力學等，也可依不同化學分支分類為有機反應動力學及無機反應動力學。
化學動力學往往是化工生產過程中的決定性因素。其基礎是統計力學、量子力學和分子運動論。
2、本實驗報告涉及的子概念簡介
化學反應速率
其有關概念在理論課和實驗手冊中已有比較詳細的介紹，在此不再贅述。
化學反應機理
雖然化學方程式中各物質的計量比看似簡單，但微觀上，乙個化學反應通常是經過幾步完成的，描述化學反應的微觀過程的化學動力學分支稱為反應機理。反應機理中，每一步反應稱作基元反應，基元反應中反應物的分子數總和稱為反應分子數。反應機理由乙個或多個基元反應所組成，這些基元反應的淨反應即為表觀上的化學反應。
速率控制步驟
基元反應中，反應速率最慢的乙個稱為速率控制步驟，簡稱「速控步」，是決定總反應的速率的步驟。正如從酒瓶中倒酒時，決定酒的流速的是瓶頸的直徑一樣，速率控制步驟對於整個化學反應的速率也有類似的效應，稱為「瓶頸效應」。通常情況下，速控步後的任何基元反應對反應速率是絲毫沒有貢獻的。
3、與化學熱力學的區別
化學熱力學主要考查達到反應平衡時反應進行的程度或轉化率。而化學動力學是從一種動態的角度觀察化學反應，研究反應系統轉變所需要的時間，以及這之中涉及的微觀過程。
（二）通過合成氨工業的例子來看化學動力學的重要性
1、如果不考慮化學動力學（即只從化學熱力學角度出發考察合成氨反應）
在298k，1bar的條件下
δh=-46.19kj/mol
δg=-16.64kj/mol
δs=-0.09916kj/(mol·k)
k=2.920
這是乙個焓和熵同時減小的反應，在溫度較低時有利於反應自發進行。降低溫度、提高壓力，有利於平衡向生成氨的方向移動。
而在實際的合成氨工業中，採用的反應條件為500攝氏度左右，並同時採用了催化劑，這些都是化學熱力學無法解釋的。
2、從化學動力學角度來考察合成氨反應
根據我們查到的資料，以鐵觸媒作催化劑的合成氨反應機理大致可分三步：
氮氣和氫氣化學吸附到鐵表面
n2 + 2(fe) → 2n(fe)
h2 + 2(fe) → 2h(fe)
表面反應生成nh3(fe)
nh3脫離鐵表面
在以上這些反應中，氮氣分子的吸附分解所需活化能最大，反應速率最慢，為合成氨反應中「速控步」。
從微觀的角度，氮氮三鍵的鍵能為941 kj/mol，是乙個很大的數值，也可以來理解「氮氣分子的吸附分解所需活化能最大」這一點。
而在沒有催化劑催化的條件下，氮氣分子分解將是乙個更為緩慢的過程。氮氣分解的緩慢制約了總反應速率，合成氨反應在常溫下是乙個十分緩慢的過程。這就是合成氨工業沒有在常溫下進行這個反應的原因（雖然該反應在常溫下是自發的,且轉化率較高）。
為了提高反應速率，工業上採用的做法是公升溫、加壓和使用催化劑鐵觸媒。前兩種是增加了氣體分子碰撞的概率，最後一種是改變了反應程序，降低了活化能。至於最終的反應溫度確定在500攝氏度左右，首先是加快反應速度（公升溫）和提高平衡時轉化率（降溫）相互協調的結果，但更重要的是考慮到鐵觸媒的催化最適溫度。
四、結論
通過對合成氨反應的分析，我們可以發現：在實際工業應用中，僅通過化學熱力學來決定反應的溫度和其他條件是不夠的。反應速率的低下將帶來嚴重的效率問題和經濟問題。
所以化學動力學是乙個必須考慮的重要內容，很多時候甚至是化工生產中的決定性因素。
五參考文獻
六．小組分工表
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