自己挖的坑,含着泪也要填下去。
对于化学反应而言,我们既关注反应的方向与进度,同时又关心反应的速率与反应历程。不同之处在于,前者属于化学热力学的研究范畴,而后者则属于化学动力学的研究范畴。因为动力学历史较晚,而且化学反应历程复杂,缺乏有效的观测手段,所以动力学的发展要落后于热力学,而且相比起热力学而言体系比较零散,并不完整。当然到了近代,随着交叉分子束、飞秒激光、时间分辨光谱等技术的出现,人们获得了能够用于观测化学反应的有效手段,为化学动力学的研究打开了一片新的天地。李远哲等人凭借使用交叉分子束技术来研究化学动力学获得1986年的诺贝尔化学奖,而十多年后亚米德•齐威尔也凭借自己在飞秒化学上的贡献,斩获1999年的诺贝尔化学奖!
化学动力学诞生之初,最先处于宏观动力学阶段。在这一阶段里,化学家主要通过实验归纳总结的方法来研究对化学反应进行研究,质量作用定律以及阿伦尼乌斯公式便是这一阶段里最重要的两个成果。说白了,这一阶段所得的成果主要还是基于经验上的,缺乏有效的理论支持。在微观动力学阶段里,动力学的研究深入到了分子层次,建立起了诸如硬球碰撞模型、过渡态理论、从头算分子动力学等理论模型。这些模型能够在理论上对上个阶段总结出的经验定律予以解释,并且基于类似模型,可以通过理论计算的方法直接计算出相关化学反应的速率常数。
硬球碰撞模型是最先被提出的理论,这种理论简单明了,同时也能够从理论角度解释质量作用定律以及阿伦尼乌斯公式的公式形式。当然缺点也是显而易见的,硬球模型过于粗糙,理论计算的精确度太差还需要引入实验参数。
相比起粗糙的硬球碰撞模型而言,过渡态理论则完善的多,相比起从头算分子动力学而言在计算量和难度上都低了不少,而且应用广泛,能够解释很多问题,同时也保持着不错的精度。因此过渡态理论成了研究此类问题的首选,也是我所要介绍的内容。