碰撞理論

碰撞理論是用于預測化學反應速率的化學原理。 它指出，當合適的反應物粒子以正確的方向相互碰撞時，只有一定數量的碰撞會導致可察覺或顯著的變化； 這些成功的變化被稱為成功的碰撞。 成功的碰撞必須在撞擊時刻有足夠的能量，也稱為活化能，以打破預先存在的鍵并形成所有新鍵。 這導致反應的產物。 增加反應物的濃度會導致更多的碰撞，從而導致更成功的碰撞。 升高溫度會增加溶液中分子的平均動能，從而增加具有足夠能量的碰撞次數。

當催化劑參與反應物分子之間的碰撞時，發生化學變化所需的能量較少，因此更多的碰撞具有足夠的能量來發生反應。 因此反應速率增加。

碰撞理論與化學動力學密切相關。

碰撞理論預測的雙分子氣相反應 A + B → 產物的速率為

r ( T ) = k n A n B = Z ρ exp ? ( ? E a R T ) {displaystyle r(T)=kn_{text{A}}n_{text{B}}=Z rho exp left({frac {-E_{text{a}}}{RT}}right)}

在哪里：

• k 是以（分子數）?1?s?1?m3 為單位的速率常數。
• nA 是氣體中 A 的數密度，單位為 m?3。
• nB 是氣體中 B 的數密度，單位為 m?3。 例如。 對于氣體 A 濃度為 0.1 mol?L?1 和 B 濃度為 0.2 mol?L?1 的氣體混合物，A 的密度數為 0.1×6.02×1023÷10?3 = 6.02×1025 m?3，則數 B的密度為0.2×6.02×1023÷10?3 = 1.2×1026 m?3。
• Z 是以 m?3?s?1 為單位的碰撞頻率。
• ρ {displaystyle rho } 是位阻因子。
• Ea 是反應的活化能，單位為 J?mol?1。
• T 是以 K 為單位的溫度。
• R 是以 J mol?1K?1 為單位的氣體常數。

r(T)的單位除以(1000×NA)后可換算為mol?L?1?s?1，其中NA為阿伏加德羅常數。

對于 A 和 B 之間的反應，用硬球模型計算的碰撞頻率為：

Z = n A n B σ AB 8 k B T π μ AB = 10 6 N A 2 [A][B] σ AB 8 k B T π μ AB {displaystyle Z=n_{text{A}}n_{ text{B}}sigma _{text{AB}}{sqrt {frac {8k_{text{B}}T}{pi mu _{ text{AB}}}}}=10{6}N_{A}{2}{text{[A][B]}}sigma _{text{AB}}{sqrt { frac {8k_{text{B}}T}{pi mu _{text{AB}}}}}}

在哪里：

• σAB 是反應截面（單位m2），兩個分子碰撞時的面積，簡化為σ AB = π ( r A + r B ) 2 {displaystyle sigma _{text {AB}}=pi (r_{text{A}}+r_{text{B}}){2}} ，其中 rA 是 A 的半徑，rB 是 B 的半徑，單位為 m。
• kB 是玻爾茲曼常數單位 J?K?1。
• T為xxx溫度（單位K）。
• μAB 是反應物 A 和 B 的約化質量，μ AB = m A m B m A + m B {displaystyle mu _{text{AB}}={frac {{ m_{text{A}}}{m_{text{B}}}}{{m_{text{A}}}+{m_{text{B}}}}}} ( 單位公斤）。
• NA 是阿伏加德羅常數。
• [A] 是 A 的摩爾濃度，單位為 mol?L?1。
• [B] 是 B 的摩爾濃度，單位為 mol?L?1。

如果將與量綱有關的所有單位都轉換為dm，即[A]和[B]為mol?dm?3，σAB為dm2，玻爾茲曼常數為dm2?kg?s?2?K?1，則

Z = N A σ AB 8 k B T π μ AB [ A ] [ B ] {displaystyle Z=N_{text{A}}sigma _{text{AB}}{sqrt { frac {8k_{text{B}}T}{pi mu _{text{AB}}}}}[{text{A}}][{text{B }}]}

單位 mol?dm?3?s?1。

稀釋氣體或液體溶液中的碰撞由擴散而不是直接碰撞調節，這可以根據菲克擴散定律計算。

對于氣相或液相中的稀釋溶液，當擴散控制碰撞頻率時，上述方程式不適用，即兩個分子之間的直接碰撞不再占主導地位。 對于任何給定的分子 A，在找到要與之反應的 B 分子之前，它必須與許多溶劑分子碰撞，比方說分子 C。

考慮雙分子基本反應：

A + B → C

碰撞理論認為，如果兩個粒子 A 和 B 的原子核靠近一定距離，它們就會發生碰撞。 分子 A 周圍可以與接近的 B 分子碰撞的區域稱為反應的橫截面 (σAB)，簡單來說，就是對應于半徑為 ( r A B {displaystyle r_ {AB}} ) 是兩個反應分子的半徑之和。