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。于此同时，计算化学的蓬勃发展，也在理论角度为化学反应动力学增添了强有力的武器。
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。
不过即使如此，硬球碰撞模型的理论意义也是十分巨大。在硬球碰撞模型的基础上，先后诞生了一连串的重要的化学动力学理论模型。例如研究单分子反应机理的RRKM理论、基于经典力学原理的经典轨线理论以及其衍生出来的准经典轨线理论以及量子轨线理论等等。
当然，这些理论在有机、无机化学等方面并不常用，而且数学推导的成分比较多，因此这里我并不打算详细介绍。
而在通常的化学学习乃至科研中，涉及到最多的莫过于过渡态理论。过渡态理论简单形象，通俗易懂，而且计算的精度能够让人满意。因此，过渡态理论往往是研究化学反应与速率问题时的首选，也是最常用的理论。

在介绍过渡态理论之前，首先应当提及的应该是势能面的概念。
对于分子而言，为了确定其几何结构，我们需要知道分子中所有原子核的几何坐标。对于分子而言，其能量由分子的结构决定，而分子的结构则由分子中原子核的坐标决定，因此分子的能量也可以看做是其原子核的坐标的函数！原子核的坐标发生相应的变化，分子的能量也会相应的有所变化，从而形成了对应的势能面。此外，需要注意的是，只有在波恩-奥本海默近似（因为电子的速度要远远高于原子核的运动速度，当原子核发生微小运动时，电子可以立即调整，在瞬间重新达到能量最低的状态。因此在考虑电子运动的情况下，原子核可以视为固定不动。）下上述内容才会成立。
然而，即使是双原子分子，我们也需要用六个参数（x1,y1,z1,x2,y2,z2）才能确定分子的结构。过于繁琐不说，而且抽象的几何坐标并不利于人的理解。
事实上，确定双原子分子的结构远远没有这么复杂。以氢气为例，我们只要需要知道氢氢键的键长这一个量，便可由此确定分子的构型，因此氢氢键长是决定氢气分子构型的唯一参数。这样显然要比使用几何坐标要简单得多，而且在绘制势能面的时候，其势能面的物理意义更为明确。
我们通过理论计算的手段，计算出了不同键长下氢气分子的能量。下图便是氢气分子与氢气键长的关系曲线，图像的横坐标代表氢氢键长，纵坐标代表能量。由图像可以看出，当氢氢键长处于0.74A时氢气的能量最低，氢气分子最稳定，这和实验值（0.74A）完全吻合！当然，因为氢气的图像过于简单，只有氢氢键长和能量两个参数，函数图像也仅仅是二维的，还称不上势能面，仅仅算是势能曲线而已。

在基础的有机化学课本里是这样描述过渡态的：在反应物相互接近的反应近程中，出现一个能量比反应物与生成物均高的势能最高点，此势能最高点相对应的结构称为过渡态。过渡态被认为是化学反应路径中所要经过的一个中间结构，极不稳定。

上图所示的，是一个三原子的化学反应（A+BC=AB+C）的能量与反应坐标的关系图。由图可知，化学反应开始后，随着反应物开始向产物的转化，其能量一开始是升高的，在升高到一定程度后，又会快速下降，最终生成了产物。其中，在此过程中，能量最高点时所对应的结构，被称之为过渡态。
过渡态是反应物在向产物转换过程中所需要经历的一个中间结构。下图是溴甲烷水解所需要经过的一个过渡态，化学反应往往伴随着旧键的断裂与新键的生成，在溴甲烷水解的反应中，存在Br-C键的断裂以及O-C键的生成，而在此过渡态正是一个旧键尚未完全断裂，新键也尚未完全生成的中间体。相比起反应物而言，Br-C键长大大增加，并且有所削弱了。与此同时，氢氧根开始向碳原子接近，并逐渐形成O-C键。

过渡态理论和阿伦尼乌斯的活化能理论其实是相通的，阿伦尼乌斯认为只有那些能量足够高的分子才能够发生反应，而这些分子则被称为活化分子。普通的分子需要获得一定的能量才能够形成活化分子，而由普通分子向活化分子转化所需要的能量，被称之为活化能。而让我们重新看一下三原子反应的能量与反应坐标关系图，在由反应物向产物转换的过程中，需要经过过渡态这一中间过程，而从反应物到过渡态之间存在势能差Ea，Ea被称为反应的能垒。只有反应物获得了能够弥补反应物与过渡态势能差的能量，才能越过这一能垒，形成相应的过渡态，并继而生成产物。我们可以看到，无论是阿伦尼乌斯的活化能理论，还是过渡态理论，都认为只有反应物在获得一定的能量之后，才能够顺利的发生反应。当然，前者只是基于经验上的假说，而后者则是一个完整的理论体系，可以说后者给于了前者理论上的支持。

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