A tapasztalatok szerint a kémiai reakciók ritkán mennek végbe úgy, ahogy azt a sztöchiometriai egyenlet alapján várnánk. A legtöbb átalakulás nem egyetlen reakciólépés eredménye, hanem több egyszerűbb, egymás után (sorosan) vagy egymás mellett (párhuzamosan) lezajló elemi folyamat eredőjének tekinthető. Ezeket az elemi folyamatokat nevezzük reakciólépéseknek. Egy konkrét reakció esetében ezeknek az elemi lépéseknek az összességét nevezzük a reakció mechanizmusának, vagyis a mechanizmus megadásával leírjuk a reakció során lejátszódó részfolyamatokat, a fennálló egyensúlyokat, és megadjuk az esetleg képződő közti termékeket.

A reakciókinetikai vizsgálatok elsődleges célja a folyamat sebességének megállapítása , illetve a folyamat időbeli lefolyását leíró izoterm bruttó sebességi egyenlet megalkotása. További cél lehet a reakció időbeli lefolyásának vizsgálatából és az esetleges közti termékek azonosítása során szerzett információk alapján a reakció mechanizmusának megadása. A reakciók mechanizmusának felderítése, a katalizátorok erre gyakorolt hatásának ismerete elengedhetetlen egy vegyipari gyártási folyamat optimális vezetéséhez.

A gyakorlatok során mi homogén és heterogén reakciókat egyaránt vizsgálni fogunk. A homogén reakcióknál a folyamatban részt vevő anyagok, közti termékek és végtermékek ugyanabban a fázisban vannak jelen, és a reakció a fázis teljes térfogatában zajlik. A heterogén reakcióknál a folyamatban részt vevő anyagok különböző fázisban vannak jelen, és a reakció az érintkező fázisok határfelületén megy végbe. Előfordulhat az az eset is, hogy a reakciópartnerek és termékek ugyanabban a fázisban vannak, csak a reakció zajlik a határfelületen, pl. heterogén katalízis, egyes elektrokémiai reakciók stb.

akkor a reakciósebességet úgy is definiálhatjuk, mint a reakció partnerek vagy a termékek koncentrációjának időbeli változását:

Szigorúan véve a reakciósebességet mint a reakciókoordináta változásának sebességét definiáljuk. A

     (9)

     (10)

a reakció rendűsége (bruttó rendűsége, kinetikai rendje) az r_A, r_B, r_C reakcióban résztvevő komponensekre vonatkozó részrend, c_A, c_B, c_C az egyes reakciópartnerek pillanatnyi koncentrációja. A (9)-ben szereplő sebességi együtthatót és a részrendeket kísérletileg kell meghatározni!

A fentieket általánosítva: a sebességi egyenlet olyan kísérletileg meghatározott egyenlet, amely a reakciósebesség és az összes reakcióban résztvevő molekula (részecske) pillanatnyi koncentrációja közötti összefüggést írja le.

- az izoterm bruttó sebességi egyenlet megalkotása (a sebességi együttható és a
részrendek meghatározása);

Egy reakció sebességi egyenletének meghatározásához először is az szükséges, hogy valamilyen analitikai módszerrel kövessük a reakció előrehaladását az időben. Ennek a megoldása lényegesen egyszerűbb, ha a reakció sztöchiometriája pontosan ismert, és a reakció kvantitatív, (tehát irreverzibilisen és mellékreakciók nélkül), valamint közti termékek képződése nélkül megy végbe. Ilyenkor elegendő csak az egyik reakciópartner fogyását vagy képződését követni, hiszen a sztöchiometriai egyenlet alapján számítható a többi reakciópartner fogyása, ill. képződése is. Összetett reakciók esetén azonban a rendszer összetételének ismeretéhez több reagáló partner időben bekövetkező koncentrációváltozásának egyidejű ismerete szükséges.

A sebességi egyenlet meghatározásának egyik módja az ún. pszeudo zérusrend módszere. Lényege, hogy ahhoz a reaktánshoz képest, amelynek a koncentrációját követjük, a többit nagy feleslegben alkalmazzuk, így ezeknek a reaktánsoknak a koncentrációja időben nem változik, ezekre nézve nulladrendű a reakció. A kinetikai egyenlet egyszerűsödik, a sebesség függése az egyes reaktánsok koncentrációjától egyenként meghatározható, és a teljes sebességi egyenlet kikövetkeztethető.

A kezdeti sebességek módszere, amelyet gyakran a pszeudo zérusrendek módszerével kombinálva alkalmaznak, a reakciók kezdeti sebességének különböző kiindulási koncentrációk mellett történő meghatározásán alapszik. Ezzel a módszerrel nem határozhatjuk meg a teljes sebességi egyenletet, mert egy összetett reakcióban a termékek is befolyásolhatják a sebességet.

Ahhoz, hogy a koncentráció idő szerinti változásából (kinetikai görbe) meghatározhassuk a rendet és a sebességi állandót, a sebességi egyenleteket integrálni kell. Erről tájékoztat a 1. táblázat. Olyan integrált sebességi egyenletet kell találnunk amely a legjobban közelíti a mért koncentráció - idő függvényeket. Ennek van egy hagyományos („klasszikus”) módszere, és lehetséges a paraméterbecslés alkalmazása is.

a, b sztöchiometriai együtthatók; (az előzőekben n _A, n _B)

A laborgyakorlatokon végzett reakciókinetikai mérésekben szereplő reakciók esetében érvényes integrált sebességi egyenlet linearizált alakjába helyettesíjük az idő–koncentráció értékpárokat, és a kiértékelést többnyire grafikusan végezzük (a konkrét megoldást lásd az adott méréseknél).

Általános tapasztalat, hogy a homogén kémiai reakciók egy részének sebesssége növekszik a hőmérséklet növekedésével. Kísérleti vizsgálatok alapján állította fel Arrhenius a következő összefüggést:

ahol k a reakció sebességi együtthatója, A az ún. preexponenciális együtható, (értelmezésével a reakciósebességi elméletek foglalkoznak), E_a-t pedig aktiválási energiának hívjuk. A (12) összefüggés csak szűk hömérséklet intervallumban érvényes, mert A és E_a egyaránt függhetnek a hőmérséklettől. (A laborgyakorlatokon vizsgált reakciók esetében 40–50 fok intervallumban állandónak tekinthető A és E_a.) A (12) összefüggés csak akkor érvényes, ha a folyamat egyszerű és termikus aktiválású.

Az Arrhenius-összefüggés egyenes egyenletének felel meg. Ha 1/T függvényében ábrázoljuk a sebességi együtthatók logaritmusát, a kapott egyenes meredekségéből (m) számítható az E_a aktiválási energia.

     (13)

Természetesen a legkisebb négyzetek módszerével illesztett egyenes meredekségéből számítjuk az aktiválási energiát.

Bármilyen reakciókinetikai mennyiség meghatározása feltételezi a reakciók időbeli követését. A reakciók időbeli követése mindig egy vagy több kiindulási anyag vagy termék koncentrációjának mérését jelenti. Ez megoldható időnkénti mintavétellel és elemzéssel vagy az egész rendszer egy vagy több fizikai kémiai tulajdonságának folyamatos mérése útján.

A reakcióelegyből különböző időpontokban kivett mintát megfelelő analitikai módszerekkel elemezzük (ez lehet akár hagyományos kémiai analízis is, pl. titrálás). Fontos, hogy az analízis a reakcióidőhöz képest gyorsan elvégezhető legyen, mert a minta nem reagálhat tovább az analízis elvégzéséig. A reakciót a kivett mintában leállíthatjuk, pl. a minta gyors lehűtésével, vagy valamilyen reagens adagolásával (a reakció befagyasztása). A mintavételes eljárás alkalmas olyan reakciók követésére, amelyek vizes oldatban játszódnak le szobahőmérséklet közelében. Ha a gyakori mintavétel miatt bekövetkező térfogatváltozások hatással vannak a reakció további lefolyására, ez a módszer nem alkalmazható.

A fizikai analitikai módszerek közül sok igen gyors és nem zavarja a reagáló rendszert. Ezért a mérések közvetlenül a reakciótérben is végezhetők, a mintavétel feleslegessé válik. A reakciók követésére minden olyan fizikai tulajdonság alkalmas, amely a reakció lezajlása során jól mérhetően megváltozik, és valamilyen módon egyértelmű kapcsolatba hozható a reakció partnerek vagy termékek koncentrációjával. Ha a mért fizikai mennyiséget egyetlen anyag koncentrációja határozza meg, akkor kalibrációs görbe segítségével egyértelműen megadható a mért fizikai mennyiség és az illető vegyület koncentrációjának kapcsolata. Ilyenkor a reakciókinetikai vizsgálatok során mért mennyiségeket közvetlenül koncentrációértékekké lehet átszámítani, amelyek már alkalmasak k meghatározására.

A legtöbb fizikai módszer esetében a közvetlenül mért fizikai mennyiség - pl. elektromos vezetés, térfogat, vagy az összes nyomás- nem jellemző egy konkrét vegyületre, hanem a rendszer valamennyi komponensének jellemzőiből adódik össze. Általában (híg oldatokban), ezeknek az adatoknak a nagysága arányos a komponensek koncentrációjával; példaként lásd az észterek elszappanosodási reakcióját.

A térfogatmérés a térfogat-változással járó gázreakcióknál vagy olyan reakcióknál alkalmazható, amelyek gázfejlődéssel vagy gázelnyeléssel járnak. Ilyen esetekben különösen fontos, hogy a hőmérséklet mellett a nyomást is állandó értéken tartsuk. Ha a reakció folyadékfázisban megy végbe gázfejlődés mellett, akkor fontos, hogy a gáz a folyadékkal egyensúlyban legyen.

Az optikai tulajdonságok közül a törésmutató, a fényabszopció és az optikai forgatás mérése alkalmas a reakciók követésére. Mivel a törésmutató változása általában igen kis mértékü, ezért azt interferométerrel célszerű mérni.

A fényabszorpció spektrofotométerrel vagy koloriméterrel mérhető. Ha a reakcióban részt vevő anyagok közül csak egy színes, akkor elegendő egy hullámhosszon végezni a mérést. Ha több színes anyag van a reakcióelegyben, akkor vagy több hullámhosszon kell mérni, vagy az előzetesen felvett abszorpciós görbékből meghatározható egy olyan hullámhossz, amelyen a színes anyagok közül csak az egyik abszorbeál.

Ha a reakcióban részt vevő anyagok, vagy a reakciótermékek egyike optikailag aktív, akkor a reakciót az optikai forgatás mérésével lehet követni.

Az elektromos vezetés mérése akkor alkalmas a reakciók követésére, ha az oldatreakció során az ionok koncentrációjában vagy minőségében következik be változás. Különösen érzékeny a mérés, ha az egyik reakciópartner vizes közegben szolvatált OH^-- vagy H₃O⁺- ion. A vezetés konduktométerrel mérhető.

A koncentrációváltozás elektromotoros erő mérésével is követhető, ha valamelyik reakciópartnerre nézve reverzibilis elektródot tudunk készíteni.

Az elektródokon stacionárius állapotban lejátszódó heterogén elektrokémiai reakciók tanulmányozása az elektródpotenciál és az elektródon átfolyó áram kapcsolatát kifejező polarizációs görbe vizsgálatával lehetséges.

A reakcióelegy összetevőinek gyors elválasztására, minőségi és mennyiségi meghatározására egyaránt alakalmasak a kromatográfiás módszerek.

Az ún. áramlásos technika alkalmazásakor a reaktánsok folytonos áramát egy keverőkamrában egyesítik, ami egy csőben folytatódik. A cső különböző helyein (más-más távolságban a keverőkamrától) mérve a koncentrációkat (pl. spektrofotometriásan), ugyanarra az eredményre jutunk, mintha az összekeveréstől eltelt idő függvényében vizsgálnánk a reakciót. Ezzel a módszerrel az 1 s felezési idejű reakciók is tanulmányozhatók. Az áramlásos technikák hátránya, hogy nagy mennyiségű oldatokat igényelnek, hiszen a megfelelő felbontás érdekében nagyra kell választani az áramlási sebességet.

A megállított áramlás módszerénél a két oldatot gyorsan mozgó fecskendőkkel juttatják be egy keverőkamrába, amelynek a kiképzése tökéletes keveredést biztosít. A keverőkamra után egy küvetta, majd egy ellenkező irányba mozgó dugattyújú fecskendő van, melyet az áramló oldat egy ütközőig mozgat. Ez megállítja az áramlást, és elindítja a számítógép vezérelt adatgyűjtést. A küvettában zajló reakciót többnyire spektrofotometriásan követjük. E módszer különösen alkalmas biokémiai reakciók tanulmányozására, mert oldatigénye kicsi. Felfedezése óta az enzimreakciók vizsgálatának nélkülözhetetlen eszköze.