化学反应的碰撞理论
术语碰撞是指粒子或分子的碰撞。根据碰撞理论，当粒子相互碰撞（撞击）时，会发生化学反应。此外，反应物分子必须发生碰撞，尽管这可能不足以进行化学反应。分子的碰撞必须足以在化学反应后产生所需的产物。另一方面，有效的碰撞过程将决定最终产品的质量和特性。因此，需要了解碰撞理论才能理解和确定所得产品。
化学反应及其动力学的碰撞理论取得了重大进展，这在当今快节奏的世界中至关重要。无论是包装好的饮用水、水瓶、钢铁生产厂、最快的汽车，还是合成工程生物植入物，它们都涉及某种形式的化学反应。为了更好地了解这些化学事件，Max Trautz 和 William Lewis 在 1916-1918 年创建了基于气体动力学理论的化学反应碰撞理论。我们都听说过气体的动力学理论。它通过将气体想象成一群在随机方向移动的粒子、分子或原子来解释气体的行为。
分子碰撞：碰撞理论
一个简单的规则是更多的分子会导致更多的碰撞。因此，碰撞的比例由参与碰撞的粒子数决定。在化学反应之前需要分子的碰撞。碰撞应该有足够的动能来开始它们之间的反应。仅当碰撞强度强时才会发生键破坏。碰撞与温度有关——温度越高，碰撞越多。在更高的温度下，碰撞变得更加剧烈。由于中性分子的能级较低，它们不能破坏键或参与碰撞过程，而具有足够能量的分子会。弯曲、拉伸和扭曲粘合都是反应过程的一部分。因此，该过程需要高能分子。
化学反应的碰撞理论
“假设反应物的分子是硬球体，并且假设只有当这些球体（分子）相互碰撞时才会发生反应，”根据碰撞假说。因此，有必要量化发生的碰撞次数以产生产物，以便获得清晰的反应图像，因此创造了术语碰撞频率。每单位体积的反应混合物每秒的碰撞次数称为碰撞频率。它通常用字母 Z 表示。看看下面的双分子基本反应：
P + Q → 产品
根据碰撞理论，前面的反应速率由下式给出：
Rate = ZPQρe−Ea/RT
Where:
ZPQ = collision frequency of reactants P and Q
Ea = Activation Energy
R = Universal Gas Constant
T = Temperature in absolute scale
ρ = is the steric factor
活化能是另一个对化学过程的速度有重大影响的量 (E a )。 Arrhenius 使用术语活化能来描述反应物在化学反应期间产生产物所必须具有的最少能量。
根据阿累尼乌斯方程，任何能量大于或等于活化能的分子都会发生碰撞产生产物。然而，并非所有反应都如此。在涉及复杂化合物的反应中，存在很大程度的差异。一些具有足够能量（活化能）的分子没有碰撞产生结果。他们中只有少数发生了有效的碰撞，从而导致了产品的生产。研究人员发现，分子的动能并不是控制反应的唯一因素。他们发现只有在碰撞过程中方向和阈值能量（活化能）正确的分子才会产生产物。为了解释有效碰撞，他们创建了概率因子 P。
简而言之，相互作用分子的活化能和适当的取向共同为有效碰撞提供了条件，从而产生了产物。在碰撞理论中，反应速率由活化能和有效碰撞共同决定。
碰撞理论表面积
当表面积大时，存在更多的分子，更多的分子可以相互反应，从而产生更高的碰撞或反应速率。因此，表面积越大，响应越快。此外，根据碰撞假说，如果分子的表面积更大，则它具有更多的能量并提高反应速率。
碰撞理论的类型
- 弹性碰撞：当系统的动能和动量能量都守恒时，会发生弹性事故。在这种情况下，不同亚原子粒子的碰撞主要是弹性的。例如，两个玻璃或钢球的冲击通常是有弹性的。非弹性碰撞所涉及的力本质上是保守的。
- 非弹性碰撞：非弹性碰撞是动能不守恒而只有动量守恒的碰撞。每天，我们都会遇到大量无弹性的碰撞。
无效碰撞 (A) 是不会导致产物形成的碰撞。有效碰撞 (B) 是化学键断裂并形成产物的碰撞。
活化能
活化能是在任何给定反应中反应粒子为发生该反应所需的最小能量。粒子不会发生反应，除非它们与足够的能量碰撞以产生活化能。在可能发生反应之前，必须给出活化能。要开始化学反应，必须破坏反应物中的化学键，这需要能量。引发反应所需的能量称为活化能。当活化能足够低时，反应可以在环境温度下开始而无需加热。
示例问题
问题 1：碰撞理论是如何工作的？
回答：
The molecules of reactants are supposed to be hard spheres in the collision theory, and reactions are assumed to occur only when these spheres (molecules) impact with each other. It is not necessary for all collisions to result in the synthesis of products; the activation energy and appropriate orientation of the interacting molecules establish the condition for a collision that will result in the development of products.
问题2：有效碰撞和无效碰撞有什么区别？
回答：
The reacting species in a chemical reaction can only produce products if they come into touch with one other or crash with each other. It is not required for all collisions to result in products. Collisions between reacting species that result in the product are referred to as effective collisions.
问题 3： Arrhenius 方程是否仅适用于一级反应？
回答：
The Arrhenius equation expresses a link between the rate constant, absolute temperature, and the A factor (also known as the pre-exponential factor; can be visualized as the frequency of correctly oriented collisions between reactant particles). It sheds light on the relationship between reaction rates and absolute temperature. As a result, it can be applied to any order of reaction.
问题四：什么是活化能？
回答：
Activation energy is defined as the additional energy that must be delivered to the reacting species in their normal energy state in order for their energy to equal threshold energy.
问题 5：Arrhenius 方程在哪里使用？
回答：
The Arrhenius equation is used to calculate the effect of temperature change on the rate constant. Temperature and the rate constant were mathematically related by Arrhenius.