基本介紹
- 中文名：化學反應
- 外文名：Chemical reaction
- 別稱：化學變化
- 表達式：A+B→C+D
- 提出者：布特列諾夫
- 提出時間： 1861
- 套用學科：化學
- 適用領域範圍：化學研究
實質,化學反應類型,反應能量,反應判斷,反應中間物,反應條件,反應速率,化學平衡,化學變化的研究,反應現象,可逆與自發反應,有機化學反應種類,
實質
化學反應類型
異構化：(A →B) ：化合物是形成結構重組而不改變化學組成物。
化學合成：化合反應
簡記為：A + B = C：二種以上元素或化合物合成一個複雜產物。（即由兩種或兩種以上的物質生成一種新物質的反應。）
化學分解：分解反應
置換反應（單取代反應)
簡記為：A+BC=B+AC ：表示額外的反應元素取代化合物中的一個元素。（即指一種單質和一種化合物生成另一種單質和另一種化合物的反應。）
化學反應公式①較活潑的金屬置換出較不活潑的金屬或氫氣
②較活潑的非金屬置換出較不活潑的非金屬
③非金屬置換出金屬
④金屬置換出非金屬
（詳細請見置換反應詞條……）
複分解反應（雙取代反應）
簡記為：AB+CD=AD+CB ：在水溶液中（又稱離子化的）兩個化合物交換元素或離子形成不同的化合物。（即由兩種化合物互相交換成分，生成另外兩種化合物的反應。）
複分解反應的本質是溶液中的離子結合成難電離的物質（如水）、難溶的物質或揮發性氣體，而使複分解反應趨於完成。酸、鹼、鹽溶液間發生的反應一般是兩種化合物相互交換成分而形成的，即參加反應的化合物在水溶液中發生電離離解成自由移動的離子，離子間重新組合成新的化合物，因此酸、鹼、鹽溶液間的反應一般是複分解反應。複分解反應是離子或者離子團的重新組合，因為此類反應前後各元素的化合價都沒有變化，所以複分解反應都不是氧化還原反應。
當然還有更多複雜的情形，但仍可逐步簡單化而視為上述反應類別的連續反應。化學反應的變化多端難以建立簡單的分類標準。 但是一些類似的化學反應仍然可以歸類，譬如：
歧化反應:
歸中反應與歧化反應均屬同種物質間發生的氧化還原反應，歧化反應是自身氧化還原反應的一種，但自身氧化還原反應卻不一定都是歧化反應。
歸中反應（反歧化反應）：
指的是物質中不同價態的同種元素之間發生的氧化還原反應。即同一元素的價態由反應前的高價和低價都轉化成反應以後的中間價態，在化學反應中元素的價態變化有個規律：只靠攏，不交叉。因此元素的高價和低價都只能向中間靠攏。歸中反應和歧化反應是兩個‘相反’的過程，這兩種反應都一定是氧化還原反應。
氧化還原反應：指兩化合物間的電子轉移（如：單取代反應和燃燒反應）
氯化反應；指氯與有機物反應；
更多的例子參見化學反應列表（list of reactions）。
電池、選項 | A | B | C | D |
電極材料 | Zn | Fe | Cu | Al |
電極材料 | Cu | Zn | Ag | Sn |
電解質溶液 | CuCl2溶液 | H2SO4溶液 | CuSO4溶液 | NaOH溶液 |
核反應不是化學反應，核反應屬於核物理變化。原子是化學變化中最小化的粒子，化學反應我們也可以看作是原子的重新組合，在反應前後元素種類和原子個數是保持不變的。而核反應中的原子變成了其他的原子了，故不是化學變化。
反應能量
能量淨改變
根據熱力學第二定律，任何等溫等壓封閉系統傾向降低吉布斯自由能。在沒有外力的影響下，任何反應混合物也是如此。比方，對系統中焓的分析可以得到合乎反應混合物的熱力學計算。反應中焓的計算方式採用標準反應焓以及反應熱加成性定律（赫士定律）。
以一個甲烷和氧氣的燃燒反應為例：
CH4 + 2O2 →CO2 + 2 H2O
能量計算須打斷反應左側和右側的所有鍵結取得能量數據，才能計算反應物和生成物的能量差。以 ΔH 表示能量差。Δ(Delta) 表示差異，H 則為焓等於固定壓力下的熱傳導能量。ΔH 的單位為千焦耳或千卡。
反應判斷
假設，存在一個系統。通過計算得出反應前後系統的焓變為ΔH。
化學反應
化學反應如果ΔH 計算為負值，則反應必為放熱反應。比如：燃燒就是燃料與空氣中氧氣劇烈反應放出熱量。
如果ΔH 計算是正值，則反應必為吸熱反應。比如：石灰石在高溫下反應分解出氧化鈣（生石灰）和二氧化碳。
如果ΔH計算等於零，則反應不吸熱也不放熱；外界不對體系做功，體系也不對外界做功。
反應到底是吸熱還是放熱完全由體系的 ΔH決定。但是，反應是否進行則完全由體系的由吉布斯自由能ΔG來表示。具體計算公式如下：
ΔG = ΔH - TΔS
反應中間物
當熱力學企圖回答這個問題：“反應會發生嗎？”，另一個重要問題“反應多快？”卻完全沒有回答。這是因為熱力學或者熱力學平衡試著要了解的是反應混合物初始和結束狀態。因此無法指出反應發生時的過程。這個領域屬於反應動力學的範疇。
基元反應是如何發生的？傳統觀點認為，反應物碰撞形成所謂活化複合物。碰撞的動能使活化複合物獲得更高的能量，導致構成反應的鍵結重組。但是，這種觀點導致了一個困境：活化複合物的結構和能量不能同時確定，否則有悖於測不準原理。所以，一些物理學家認為，實際上這些複合物未必真的存在，而是能量空間的一些隔離面。相對的活化絡合物的觀點更多的是為實驗化學家所接受，因為在描述反應機理時比較方便。現代理論化學已經可以精確的計算速率常數。對於一些比較簡單的反應，整個過程的態分辨信息也可以獲得。
反應條件
反應速率
反應物濃度：如果增加通常將使反應加速。
愈高的活化能表示反應愈難以啟始，反應速率也因此愈慢。
反應溫度：溫度提升將加速反應，因為愈高的溫度表示有愈多的能量，使反應容易發生。
催化劑：催化劑是一種通過改變活化能來改變反應速率的物質。而且催化劑在反應過程中不會破壞或改變，所以可以重複作用。
反應速率與參與反應的物質濃度有關。物質濃度則可透過質量作用定律定量。
化學平衡
根據吉布斯自由能判據，當ΔrGm=0時，反應達最大限度，處於平衡狀態。化學平衡的建立是以可逆反應為前提的。可逆反應是指在同一條件下既能正向進行又能逆向進行的反應。絕大多數化學反應都具有可逆性，都可在不同程度上達到平衡。
從動力學角度看，反應開始時，反應物濃度較大，產物濃度較小，所以正反應速率大於逆反應速率。隨著反應的進行，反應物濃度不斷減小，產物濃度不斷增大，所以正反應速率不斷減小，逆反應速率不斷增大。當正、逆反應速率相等時，系統中各物質的濃度不再發生變化，反應達到了平衡。
19世紀50-60年代，熱力學的基本規律已明確起來，但是一些熱力學概念還比較模糊，數字處理很煩瑣，不能用來解決稍微複雜一點的問題，例如化學反應的方向問題。當時，大多數化學家正致力於有機化學的研究，也有一些人試圖解決化學反應的方向問題。這種努力除了質量作用定律之外，還有其他一些人試圖從別的角度進行反應方向的探索，其中已有人提出了一些經驗性的規律。
化學變化的研究
在這一時期，丹麥人湯姆生和貝特羅試圖從化學反應的熱效應來解釋化學反應的方向性。他們認為，反應熱是反應物化學親合力的量度，每個簡單或複雜的純化學性的作用，都伴隨著熱量的產生。貝特羅更為明確地闡述了與這相同的觀點，並稱之為“最大功原理”，他認為任何一種無外部能量影響的純化學變化，向著產生釋放出最大能量的物質的方向進行。雖然這時他發現了一些吸熱反應也可以自發地進行，但他卻主觀地假定其中伴有放熱的物理過程。這一錯誤的論斷在30年代終於被他承認了，這時他才將“最大功原理”的套用範圍限制在固體間的反應上，並提出了實際上是“自由焓”的化學熱的概念。19世紀60-80年代，霍斯特曼、勒夏特列和范霍夫在這一方面也做了一定的貢獻。首先，霍斯特曼在研究氯化銨的升華過程中發現，在熱分解反應中，其分解壓力和溫度有一定的關係，符合克勞胥斯·克拉佩隆方程：dp/dt=Q/T(V'-V)其中Q代表分解熱，V、V'代表分解前後的總體積。范霍夫依據一述方程式導出的下式：
化學反應
化學反應lnK=-(Q/RT) c
此式可套用於任何反應過程，其中Q代表體系的吸收的熱（即升華熱）。范霍夫稱上式為動態平衡原理，並對它加以解釋，他說，在物質的兩種不同狀態之間的任何平衡，因溫度下降，向著產生熱量的兩個體系的平衡方向移動。1874年和1879年，穆迪埃和羅賓也分別提出了這樣的原理。穆迪埃提出，壓力的增加，有利於體積相應減少的反應發生。在這之後，勒夏特列又進一步普遍地闡釋了這一原理。他說，處於化學平衡中的任何體系，由於平衡中的多個因素中的一個因素的變動，在一個方向上會導致一種轉化，如果這種轉化是惟一的，那么將會引起一種和該因素變動符號相反的變化。
然而，在這一方面做出突出貢獻的是吉布斯，他在熱力化學發展史上的地位極其重要。吉布斯在勢力化學上的貢獻可以歸納4個方面。第一，在克勞胥斯等人建立的第二定律的基礎上，吉布斯引出了平衡的判斷依據，並將熵的判斷依據正確地限制在孤立體系的範圍內。使一般實際問題有了進行普遍處理的可能。第二，用內能、熵、體積代替溫度、壓力、體積作為變數對體系狀態進行描述。並指出湯姆生用溫度、壓力和體積對體系體狀態進行描述是不完全的。他倡導了當時的科學家們不熟悉的狀態方程，並且在內能、熵和體積的三維坐標圖中，給出了完全描述體系全部熱力學性質的曲面。第三，吉布斯在熱力學中引入了“濃度”這一變數，並將明確了成分的濃度對內能的導數定義為“熱力學勢”。
這樣，就使熱力學可用於處理多組分的多相體系，化學平衡的問題也就有了處理的條件。第四，他進一步討論了體系在電、磁和表面的影響下的平衡問題。並且，他導出了被認是熱力學中最簡單、最本質也是最抽象的熱力學關係，即相律，在，而平衡狀態就是相律所表明的自由度為零的那種狀態。
吉布斯對平衡的研究成果主要發表在他的三篇文章之中。1873年，他先後將前兩篇發表在康乃狄克州學院的學報上，立即引起了麥克斯韋的注意。吉布斯前兩篇文可以說只是一個準備，1876年和1878年分兩部分發表了第三篇文章《關於復相物質的平衡》，文章長達300多頁，包括700多個公式。兩篇文章是討論單一的化學物質體系，這篇文章則對多組分復相體系進行了討論。由於熱力學勢的引入，只要將單組分體系狀態方程稍加變化，便可以對多組分體系的問題進行處理了。
對於吉布斯的工作，勒夏特列認為這是一個新領域的開闢，其重要性可以與質量不滅定律相提並論。然而，吉布斯的三篇文章發表之後，其重大意義並未被多數科學家們所認識到，直到1891年才被奧斯特瓦德譯成德文，1899年勒夏特列譯成法文出版之後，情況頓然改變。在吉布斯之後，熱力學仍然只能處理理想狀態的體系。這時，美國人洛易斯分別於1901年和1907年發表文章，提出了“逸度”與“活度”的概念。路易斯談到“逃逸趨勢”這一概念，指出一些熱力學量，如溫度、壓力、濃度、熱力學勢等都是逃逸趨勢量度的標度。
路易斯所提出的逸度與活度的概念，使吉布斯的理論得到了有益的補充和發展，從而使人們有可能將理想體系的偏差進行統一，使實際體系在形式上具有了與理想體系完全相同的熱力學關係式。綜上所述，化學平衡狀態是指在一定條件下的可逆反應，正反應和逆反應的速率相等，反應混合物中各組分的濃度保持不變的狀態。
化學平衡狀態具有逆，等，動，定，變等特徵。
逆：化學平衡研究的對象是可逆反應。
等：平衡時，正逆反應速率相等，即v正=v逆。
動：平衡時，反應仍在進行，是動態平衡，反應進行到了最大程度。
定：達平衡狀態時，反應混合物中各組分的濃度保持不變，反應速率保持不變，反應物的轉化率保持不變，各組分的含量保持不變。
變：化學平衡跟所有的動態平衡一樣，是有條件的，暫時的，相對的，當條件發生變化時，平衡狀態就會被破壞，由平衡變為不平衡，再在新的條件下建立新平衡。影響化學平衡的因素有很多：如壓強、溫度、濃度等。
氧化反應
氧化反應注意：催化劑不影響化學平衡，僅影響反應速率。在其他條件不變的情況下，增大反應物濃度或減小生成物濃度，可使平衡向正反應方向移動。
反應現象
放熱，吸熱，發光，變色，產生沉澱，生成氣體
可逆與自發反應
化學平衡指正反應速率和逆反應速率達到相等的狀態，因此反應物和產物均會存在。然而，平衡態的反應方向可透過改變反應狀態改變，譬如溫度或壓力。勒夏特列原理在此用來預測是產物或反應物形成。
雖然所有的反應在一些範圍內均是可逆的，部份反應仍可歸類為不可逆反應。“不可逆反應”指得是“完全反應”。意思是幾乎所有的反應物均形成產物，甚至在極端狀況下均難以逆轉反應。
另一種反應機制稱為自發反應，是一種熱力學傾向，表示此反應引起總體熵的淨增加。自發反應（相對於非自發反應）不須外在協助（如能量供給）就會產生。在化學平衡的系統中，反應過程中自發反應的方向可預期形成較多的物質。
