化学反应

反应动力学

热力学可回答“反应可能发生吗？”，另一个问题“反应多快？”却完全没有回答。这是因为热力学或者热力学平衡试着要了解的是反应混合物初始和结束状态。因此无法指出反应发生时的过程。这个领域属于反应动力学的范畴。
右图称为反应坐标图，是一个常用于表明化学反应中能量变化过程的图。横坐标表示反应进程，显示的是反应物质经由反应物、过渡态，转化为产物的过程；纵坐标表示反应物质的相对能量。反应进程中能量的最高点与反应物的能量之差称为活化能，是为了使反应发生，反应物应具有的最低能量。反应需要越过一个能量高的过渡态，如同从一个谷地爬山到达另一个谷地一样。
分子动力学中，为了解释化学反应的发生，人们提出了很多理论。过渡态理论认为在基元反应中，反应物分子在合适的碰撞取向上相互碰撞后，价电子云相互穿透，形成活化复合物。该络合物也就是右图中能量最高的一点，称为过渡态。这时反应物原有的化学键部分断裂，新的化学键部分地形成。如果反应完成，则旧键破裂，新键形成，转化为产物分子。另一个常见的理论是碰撞理论，它认为，反应物分子间的相互碰撞是反应进行的必要条件，并因此提出有效碰撞、活化分子、频率因子、取向因子、能量因子等概念。碰撞理论较为简单直观，对于简单的双分子反应比较适用，如果反应过于复杂，那么碰撞理论的结果往往与事实有偏差。
很多看上去很简单的反应往往不是一步完成的。它们被称为非基元反应，其中的每一步反应称为基元反应。分步的化学反应往往会产生一些中间物质，称为反应中间体，它们由反应物反应得到，若进一步反应则转化为产物。而且，各基元反应的反应速率往往也不相同，较慢的反应卡住了反应进程，控制了反应的速率方程（速率与反应物浓度的关系），称为反应的速率控制步骤，简称“决速步”。

可逆反应

每个化学反应理论上均是可逆反应。正反应中定义物质从反应物转换成产物。逆反应刖相反，产物转换成反应物。
化学平衡指正反应速率和逆反应速率达到相等的状态，因此反应物和产物均会存在。然而，平衡态的反应方向可透过改变反应状态改变，譬如温度或压力。勒沙特烈原理在此用来预测是产物或反应物形成。
平衡常数可用于表明反应达到平衡时反应的进行程度。对于反应，其平衡常数可以写为。括弧代表该物质的活度，粗略计算时可以看做相应的浓度。平衡常数越大，表示达到平衡时产物越多，反应物越少，因此反应趋势或彻底性更大。平衡常数与吉布斯能之间存在如下关系：，根据上面对反应自发性的讨论，也可以类推出平衡常数与自发性之间的关系。K > 1时反应自发。
虽然所有的反应在一些范围内均可视为微观可逆，部分反应仍可归类为不可逆反应。“不可逆反应”指得是“比较彻底的反应”，意思是几乎所有的反应物均形成产物。反应平衡常数非常大，在达到平衡时，反应物的浓度可以忽略不计。对于究竟多彻底的反应才能被称为不可逆反应，各处的评判标准不同，一般认为平衡常数大于10⁴的反应算是比较彻底的反应。