在化学反应中,反应物的浓度与反应进行的速率之间存在关系。 衡量这种关系的研究称为化学反应动力学。 动力学研究用于推导化学反应的速率定律,提供有关速率限制步骤的过渡态期间涉及的物质的信息。 因此,动力学研究有助于推导反应机理。
化学反应在给定的温度、压力和溶剂下以一定的速率进行。 反应速率只能通过实验来确定。 为此,测量反应物消失的速率或产物出现在反应混合物中的速率。 在特定的时间间隔内,从反应混合物中取出等分试样并分析反应物或形成的产物的浓度。 此外,在保持温度和溶剂条件相同的情况下,改变反应的初始浓度以观察对反应速率的影响。
20 世纪 30 年代,英国化学家 Christopher Ingold 爵士和 Edward D. Hughes 研究了各种取代反应的速率动力学,以了解亲核取代反应的可能机制。 他们观察到卤代烷的亲核取代反应通过两种可能的机制进行——一步或两步。
对于特定反应,例如氯甲烷和氢氧化钠,反应速率取决于亲核试剂和卤代烷的浓度。 具体来说,他们观察到,当任一反应物的浓度加倍时,反应速率加倍。 此外,当两种反应物的浓度加倍时,速率增加了四倍,如表 1 所示。
表 1. 氯甲烷与氢氧根离子在 60 °C 下反应的速率研究
實驗編號r | 最初的 [CH3Cl] |
最初的 [HO−] |
初始利率 (mol L−1s−1) |
1 | 0.0010 | 1.0 | 4.9 × 10⁻7 |
2 | 0.0020 | 1.0 | 9.8 × 10⁻7 |
3 | 0.0010 | 2.0 | 9.8 × 10⁻7 |
4 | 0.0020 | 2.0 | 19.6 × 10⁻7 |
因此,发现速率方程为:
速率 ∝ [CH3Cl][HO−]
这表明,相对于每种反应物的浓度,速率是一阶的,总体而言是二阶的。
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