第八章 化学动力学 PPT讲稿.ppt

本章要点本章要点w1 1 掌握反应速率的掌握反应速率的定义定义，并学会用物质的浓度变化，并学会用物质的浓度变化来表示反应速率；来表示反应速率；w2 2 理解理解反应速率方程反应速率方程、反应级数反应级数、速率常数速率常数等概等概念；念；w3 3 应用速率方程进行应用速率方程进行相关计算相关计算；w4 4 掌握掌握温度温度对反应速率对反应速率的影响的影响，并进行相关计算；，并进行相关计算；w5 5 初步了解反应历程的内涵，并掌握初步了解反应历程的内涵，并掌握基元反应基元反应和和反反应分子数应分子数的概念；的概念；w6 6 理解理解催化剂催化剂对反应速率的影响对反应速率的影响的本质的本质。第1页，共39页，编辑于2022年，星期三8.1 8.1 化学反应速率表示法化学反应速率表示法 一、定容一、定容均相反应均相反应的反应速率的反应速率 速度速度 Velocity 是矢量，有方向性是矢量，有方向性。速率速率 Rate 是标量是标量，无方向性，都是正值，无方向性，都是正值。例如:第2页，共39页，编辑于2022年，星期三平均速率平均速率它不能确切反映速率的变化情它不能确切反映速率的变化情况，只提供了一个平均值，用况，只提供了一个平均值，用处不大处不大。第3页，共39页，编辑于2022年，星期三 在浓度随时间变化的图上，在时间在浓度随时间变化的图上，在时间t 时，作交点的时，作交点的切线切线，就得到，就得到 t 时刻的时刻的瞬时速率瞬时速率。显然，反应。显然，反应刚开始刚开始，速率大速率大，然后，然后不断减小不断减小，体现，体现了反应速率变化的实际情况。了反应速率变化的实际情况。瞬时速率瞬时速率第4页，共39页，编辑于2022年，星期三一、定容一、定容均相反应均相反应的反应速率的反应速率 aA +bB yY +zZ对于一般的化学反应：化学反应速率化学反应速率：反应进度 随时间的变化率=d/dt：反应进度反应进度；t：时间时间第5页，共39页，编辑于2022年，星期三反应进度d与物质B的物质的量的改变dnB 有如下关系：B：物质B在反应式中的计量系数。对于反应物，取负值，表示减少；对于生成物，取正值，表示增加。=(1/B)(dnB/dt)mol.s-1第6页，共39页，编辑于2022年，星期三如果体积不变：如果体积不变：B：物种物种B的物质的量浓度的物质的量浓度化学反应速率可以表示为单位时间内反应物的物质化学反应速率可以表示为单位时间内反应物的物质的量的减少或产物的物质的量的增加的量的减少或产物的物质的量的增加 单位：单位：浓度浓度时间时间1 第7页，共39页，编辑于2022年，星期三aA +bB yY +zZ对于定容定容的气相反应：对于一般的化学反应：第8页，共39页，编辑于2022年，星期三1）用反应中的任何物质表示反应速率，数值上都是一样的2）浓度时间1的量纲 注意注意：第9页，共39页，编辑于2022年，星期三二、二、化学反应的平均速率与瞬时速率化学反应的平均速率与瞬时速率 1.平均速率平均速率某一有限时间间隔内浓度的变化量某一有限时间间隔内浓度的变化量。第10页，共39页，编辑于2022年，星期三40，5.00mL CCl4中中N2O5的分解速率的分解速率2N2O5(CCl4)2N2O4(CCl4)+O2(g)第11页，共39页，编辑于2022年，星期三t1=0 s c1(N2O5)=0.200 molL-1 t2=300 s c2(N2O5)=0.180 molL-12.瞬时速率瞬时速率 时间间隔时间间隔t趋于无限小时的平均速率的极限。趋于无限小时的平均速率的极限。2N2O4(CCl4)+O2(g)例：2N2O5(CCl4)第12页，共39页，编辑于2022年，星期三为导数，它的几何意义是c-t曲线上某点的斜率。例如270s时的瞬时速率：A点的斜率=第13页，共39页，编辑于2022年，星期三从瞬时速率的定义从瞬时速率的定义,可以归纳出瞬时速率的求法可以归纳出瞬时速率的求法:(1)做做浓度浓度 时间时间曲线图曲线图;(2)在指定时间的曲线位置上做在指定时间的曲线位置上做切线切线;(3)求出切线的求出切线的斜率斜率最有实际意义和理论意义的瞬时速率是最有实际意义和理论意义的瞬时速率是初始速率初始速率 r0 第14页，共39页，编辑于2022年，星期三8.2 反应机理（历程）、基元反应和复杂反应反应机理（历程）、基元反应和复杂反应 消除汽车尾气的污染消除汽车尾气的污染,可采用如下的反应可采用如下的反应:反应的反应的可能性可能性足够大足够大,只是只是反应速率反应速率不够快不够快,不能在不能在尾气管中完成尾气管中完成,以致散到大气中以致散到大气中,造成污染造成污染.若能寻找催若能寻找催化剂化剂,使上述反应达足够快的速率使上述反应达足够快的速率,是不小的成就是不小的成就.有些有些反应反应,如橡胶的老化如橡胶的老化,人们又常常希望它慢一些人们又常常希望它慢一些.所以研究速率理论是完全所以研究速率理论是完全必要必要的和的和重要重要的。的。第15页，共39页，编辑于2022年，星期三 大量的实验事实表明，绝大多数化学反应并不是简单大量的实验事实表明，绝大多数化学反应并不是简单地一步就能完成的，而往往是分步进行的。化学反应经地一步就能完成的，而往往是分步进行的。化学反应经历的途径叫做历的途径叫做反应机理反应机理（或反应历程）。（或反应历程）。一、基元反应和非基元反应一、基元反应和非基元反应一步完成的化学反应称一步完成的化学反应称基元反应基元反应，由一个基元反应构成，由一个基元反应构成的化学反应称为的化学反应称为简单反应简单反应；由两个或三个基元反应构成的；由两个或三个基元反应构成的化学反应称为化学反应称为非基元反应或复杂反应非基元反应或复杂反应。第16页，共39页，编辑于2022年，星期三 意义意义：通过实验一旦证实某一有确定反应物和生成物的反应为基元反应,就可以根据化学反应计量方程式直接写出其速率方程式。直接写出其速率方程式。基元反应：基元反应：由反应物由反应物一步生成一步生成生成物的生成物的反应，反应，没有没有可用宏观实验方法检测到的可用宏观实验方法检测到的中间产中间产物物。为基元反应为基元反应第17页，共39页，编辑于2022年，星期三 复杂反应：复杂反应：由两个或两个以上的基元反应组合而由两个或两个以上的基元反应组合而成的总反应。在复合反应中成的总反应。在复合反应中,可用实验检测到可用实验检测到中间产物中间产物的存在的存在,但它被后面的一步或几步反应消耗掉但它被后面的一步或几步反应消耗掉,因而不因而不出现在总反应方程式中。出现在总反应方程式中。如：H2(g)I2(g)2HI(g)为由下列两步组成的复合反应(慢慢)(快快)中间产物气态碘原子可被检测到。中间产物气态碘原子可被检测到。第18页，共39页，编辑于2022年，星期三 反应机理的研究是一个十分复杂而艰难的反应机理的研究是一个十分复杂而艰难的任务。任务。意义：意义：若清楚反应是如何进行的，则可以若清楚反应是如何进行的，则可以有效控制有效控制反应的快慢，以获得反应的快慢，以获得期望产物期望产物。一般的过程是：采用一般的过程是：采用分子光谱分子光谱等研究手段等研究手段检测反应过程中的中间产物，据此推断反应检测反应过程中的中间产物，据此推断反应历程，再以实验获得的速率方程验证。历程，再以实验获得的速率方程验证。一个合理的反应机理应满足：一个合理的反应机理应满足：全部基元反应的全部基元反应的加和加和应为化学计量反应方程式应为化学计量反应方程式 由反应机理得出的速率方程应与实验所得一致由反应机理得出的速率方程应与实验所得一致第19页，共39页，编辑于2022年，星期三1.质量作用定律质量作用定律基元反应的速率方程基元反应的速率方程 aA+bB=gG+hH 基元反应基元反应 r=kAaBb 恒温下恒温下,基元反应的速率同反应物浓度幂的基元反应的速率同反应物浓度幂的连积成正比连积成正比,幂指数等于反应方程式中的化学计幂指数等于反应方程式中的化学计量数量数.这就是这就是质量作用定律质量作用定律r 是以物质的浓度表示的反应是以物质的浓度表示的反应瞬时速率瞬时速率,即反应物为即反应物为 A,B 时的瞬时速率时的瞬时速率。第20页，共39页，编辑于2022年，星期三注意：注意：1）适用于基元反应）适用于基元反应2）k是速率常数是速率常数,在反应过程中不随浓度变化在反应过程中不随浓度变化,但但 k是温度的函数是温度的函数,不同温度下不同温度下,k 不同不同 3）a 和和 b 之和之和,称为这个基元反应的称为这个基元反应的反应级数反应级数,可可以说以说,该反应是该反应是(a+b)级反应级反应.也可以说也可以说,反应对反应对 A 是是 a 级的级的;对对 B 是是 b 级的级的 反应级数的意义反应级数的意义：表示了反应速率与物质的量浓度的关系；表示了反应速率与物质的量浓度的关系；零级反应零级反应表示了反应速率与反应物浓度无关表示了反应速率与反应物浓度无关第21页，共39页，编辑于2022年，星期三4）在基元反应中）在基元反应中,由由 a 个个 A 分子和分子和 b 个个 B 分子分子,经经一次碰撞一次碰撞完成反应完成反应,我们说我们说,这个这个反应的分子反应的分子数数是是(a+b),或说这个反应是或说这个反应是(a+b)分子反应分子反应 只有基元反应只有基元反应,才能说反应分子数才能说反应分子数!在基元反应中在基元反应中,反应级数和反应分子数数值相等反应级数和反应分子数数值相等,但反应分子数是但反应分子数是微观量微观量,反应级数是反应级数是宏观量宏观量。第22页，共39页，编辑于2022年，星期三例例 写出下列写出下列基元反应基元反应的速率方程的速率方程,指出反应级数和反指出反应级数和反应分子数应分子数.SO2Cl2=SO2+Cl2 (1)2NO2=2NO+O2 (2)NO2+CO=NO+CO2(3)(1)r=kSO2Cl2 一级反应一级反应 单分子反应单分子反应(2)r=kNO22 二级反应二级反应 双分子反应双分子反应(1)r=kNO2CO 二级反应二级反应 双分子反应双分子反应或或:反应级数为反应级数为2,反应分子数为反应分子数为2 第23页，共39页，编辑于2022年，星期三2.复杂反应速率方程复杂反应速率方程 40，CCl4中N2O5分解反应的：c(N2O5)N2O5的分解速率与的分解速率与N2O5浓度的比值是恒定的，即反应速率浓度的比值是恒定的，即反应速率与与c(N2O5)成正比成正比。可见可见：第24页，共39页，编辑于2022年，星期三对于一般的化学反应：,反应级数：反应级数：若若=1，A为一级反应；为一级反应；=2，B为二级为二级反应，则反应，则+=3，总反应级数为，总反应级数为3。，必须通过实验确必须通过实验确定其值。定其值。通常通常a,b。k 反应速率系数：反应速率系数：k是有单位的量，是有单位的量，k 不随浓度而变，不随浓度而变，但受温度的影响，通常温度升高，但受温度的影响，通常温度升高，k 增大。增大。r=kAB第25页，共39页，编辑于2022年，星期三第26页，共39页，编辑于2022年，星期三例例 根据给出的速率方程根据给出的速率方程,指出反应级数指出反应级数.(1)Na+2H2O 2NaOH+H2 vi=ki 解解:(1)0级反应级反应 (2)5/2 级级,对对 CO 是一级是一级,对对 Cl2 是是 3/2 级级 (3)对具有对具有 r=kAB 形式速率方程的反应形式速率方程的反应,级数级数有意义有意义;对于对于(3)的非规则速率方程的非规则速率方程,反应级数无意义反应级数无意义.第27页，共39页，编辑于2022年，星期三反应级数反应级数可以是可以是 0,是是分数分数,也有时也有时无意义无意义.反应分子数反应分子数,只能对基元反应而言只能对基元反应而言,且为且为正整数正整数.一般为一般为 1,2;3 分子反应已少见分子反应已少见;4 和和 4 以上以上的分子碰撞在一起的分子碰撞在一起,发生反应发生反应,尚未见到尚未见到.对于非基元反应对于非基元反应,无反应分子数可言无反应分子数可言第28页，共39页，编辑于2022年，星期三例如：例如：反应的有关实验数据如下：反应的有关实验数据如下：由实验确定反应速率方程的由实验确定反应速率方程的 简单方法简单方法初始速率法初始速率法第29页，共39页，编辑于2022年，星期三该反应的速率方程式：该反应的速率方程式：对对NO而言是二级反应，对而言是二级反应，对H2而言是一级而言是一级反应。反应。试问如何求出反应速率系数？试问如何求出反应速率系数？第30页，共39页，编辑于2022年，星期三8.3.3 8.3.3 简单级数反应简单级数反应 1 1反应级数反应级数 反应反应 aA+bB+产物产物 r=kAB n=+总反应的级数总反应的级数 1)1)衡量浓度对化学反应速率的影响衡量浓度对化学反应速率的影响 第31页，共39页，编辑于2022年，星期三2）反应级数）反应级数n与化学反应速率常数与化学反应速率常数k的量纲有关的量纲有关 一级反应的一级反应的k的量纲为的量纲为S1，二级反应二级反应k的量纲为的量纲为mol1LS1 零级反应的零级反应的k的量纲为的量纲为molL1S1 n级反应级反应k的量纲为的量纲为Ln1 mol1 n S1 即：即：浓度浓度1-n S-1从从k的量纲可以知道反应级是多少的量纲可以知道反应级是多少 第32页，共39页，编辑于2022年，星期三2简单级数反应的微分式与积分式简单级数反应的微分式与积分式（1）一级反应）一级反应 反应速率只与反应速率只与反应物浓度的一次方成正比反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反的反应称为一级反应。常见的一级反应有放射性元素的蜕变、分子重排、五氧应。常见的一级反应有放射性元素的蜕变、分子重排、五氧化二氮的分解等。化二氮的分解等。第33页，共39页，编辑于2022年，星期三一级反应的微分速率方程一级反应的微分速率方程或反应反应：第34页，共39页，编辑于2022年，星期三一级反应的积分速率方程一级反应的积分速率方程不定积分式不定积分式或第35页，共39页，编辑于2022年，星期三lnc-t 曲线应为直线曲线应为直线 第36页，共39页，编辑于2022年，星期三一级反应的积分速率方程一级反应的积分速率方程定积分式定积分式或或第37页，共39页，编辑于2022年，星期三 当反应物当反应物A的转化率为的转化率为50%时所需的时所需的反应时间称为反应时间称为半衰期半衰期，用，用 表示。表示。对于一级反应,其半衰期为：则半衰期：半衰期：第38页，共39页，编辑于2022年，星期三一级反应的特点一级反应的特点1.速率系数速率系数 k 的单位为时间的负一次方的单位为时间的负一次方，时间，时间 t 可以可以是秒是秒(s)，分，分(min)，小时，小时(h)，天，天(d)和年和年(a)等等。2.半衰期半衰期(half-life time)是一个与反应物起是一个与反应物起始浓度无关的常数始浓度无关的常数，。3.与与 t 呈线性关系。呈线性关系。第39页，共39页，编辑于2022年，星期三