第2章化学反应速率正稿优秀PPT.ppt
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1、第2章化学反应速率正稿现在学习的是第1页,共61页1.1.初步了解化学反应速率、速率方程、过初步了解化学反应速率、速率方程、过 渡态理论和活化渡态理论和活化能概念;能概念;2.2.理解并会用浓度、温度、催化剂诸因素解释其对化理解并会用浓度、温度、催化剂诸因素解释其对化 学反应速率的影响;学反应速率的影响;3.3.初步掌握阿仑尼乌斯公式的应用,会用其求算活化初步掌握阿仑尼乌斯公式的应用,会用其求算活化 能及某温度下的反应速率;能及某温度下的反应速率;4.4.理解反应级数、半衰期的概念,会进行零级反应和一理解反应级数、半衰期的概念,会进行零级反应和一级反应级反应 有关的简单计算;有关的简单计算;本
2、章教学要求本章教学要求现在学习的是第2页,共61页1.1.化学反应速率的二种表示法,以用反应进度表示的化学化学反应速率的二种表示法,以用反应进度表示的化学反应速率为主;反应速率为主;2.2.基元反应与非基元反应基元反应与非基元反应 ,反应级数,零级反应、一级反,反应级数,零级反应、一级反应;应;3.3.反应速率方程式;反应速率方程式;4.4.影响反应速率的因素;影响反应速率的因素;本章教学要求本章教学要求5.5.用反应速率公式解释浓度、压力、温度、催化剂对速率用反应速率公式解释浓度、压力、温度、催化剂对速率的影响的影响现在学习的是第3页,共61页2.1 化学反应速率及其表示方法化学反应速率及其
3、表示方法2.2 影响化学反应速率的因素影响化学反应速率的因素2 2.3 3 几种特殊类型的反应几种特殊类型的反应现在学习的是第4页,共61页 化化学学动动力力学学研研究究的的是是反反应应进进行行的的速速率率,并并根根据据研研究究反反应应速速率率提提供的信息供的信息探讨反应机理,即研究反应的快慢和反应进行的途径。探讨反应机理,即研究反应的快慢和反应进行的途径。化学反应中有两大问题:化学反应中有两大问题:1.1.研究反应的可能性研究反应的可能性反应的方向和限度:化学平衡反应的方向和限度:化学平衡 (化学热化学热力学范畴)力学范畴)2.2.研究反应的现实性研究反应的现实性反应的快慢:化学反应速率(化
4、学动力学反应的快慢:化学反应速率(化学动力学范畴)范畴)N2(g)+3H2(g)=2NH3(g)r Gm=33.0 kJmol1K =6.1 105 从化学平衡的角度,在常温常压下这个反应的反应转化率很高,可是它的反应速率太慢,没有工业价值。现在学习的是第5页,共61页 化学热力学是研究反应的可能性,化学动力学是解决如何把可能性变为现实性,这是研究化学反应过程中相辅相成的两个方面。化学动力学研究的意义在于其实用性。化学反应速率的大小主要决定于反应物的化学性质,但也受浓度、温度、压力及催化剂诸因素的影响。CO(g)+NO(g)=CO2(g)+N2(g)r Gm=344 kJmol1K =1.9
5、1060 又如,汽车尾气CO和 NO,若能发生下列反应,则将大大改善汽车尾气对环境的污染,从化学平衡的角度,在常温常压下这个反应的反应转化率很高,但它的反应速率极慢,不能付诸使用。现在学习的是第6页,共61页2.1 化学反应速率及其表示方法2.1.1传统定义的化学反应速率化学反应速率是指一定条件下单位时间内某化学反应的反应物转变为生成物的速率。对于均匀体系的恒容(V不变)反应,习惯用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示,而且习惯取正值。浓度单位通常用molL-1,时间单位视反应快慢,可分别用秒(s)、分(min)或小时(h)等表示。这样,化学反应速率的单位可为molL-1s-1、
6、molL-1min-1、molL-1h-1。用反应物表示的是指反应的消耗速率;用生成物表示的是反应的生成速率现在学习的是第7页,共61页1.用反应物浓度随时间变化表示的是反应的消耗速率 用生成物浓度随时间变化表示的是反应的生成速率 。2.随选定的物质不同有不同的值。3.各物质的速率值之比等于对应物质在方程式中的系数比。4.通常计算的是平均速率,而每一浓度下的速率是瞬时速率。现在学习的是第8页,共61页瞬时速率:物质为生成物时,表示式取“+”号;物质为反应物时,表示式取“”号。2.1.2 用反应进度定义的化学反应速率按国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)推荐,反应速率定义为:单位体积中反应进度
7、随时间的变化率。即(21)现在学习的是第9页,共61页将式(19)以微分的形式表示为:对于恒容反应,有:dcB=dnB/V即:(22)此式表明,在恒容条件下的反应速率,常表示为单位时间内B物质的量浓度变化除以其化学计量数。将以上两式代入式 得反应速率的常用定义式:(21)现在学习的是第10页,共61页例2-1 已知反应 N2O5 NO2 +O2 试计算该反应的反应速率。解:现在学习的是第11页,共61页注意:如:已知反应 N2O5 2NO2 +1/2 O2 现在学习的是第12页,共61页2.2 影响化学反应速率的因素反应物的本性,反应物的浓度和系统的温度、压力、催化剂 等宏观量,光、电、磁等外
8、场。影响化学反应速率的因素:2.2.1 浓度与反应速率 基元反应:基元反应:反应物一步直接变成生成物的反应。1.基元反应与非基元反应非基元反应:非基元反应:由多个基元反应组成的复杂反应为非基元反应。现在学习的是第13页,共61页第一步 2NO+H2 N2+H2O2(慢)第二步 H2+H2O2 2H2O(快)例如反应:2NO+2H2 N2+2H2O 是由以下二个基元反应组成的非基元反应。2.质量作用定律在一定温度下,基元反应的反应速率与各反应物浓度的系数次方的乘积成正比。1864 年,挪威科学家古德贝格(Guldberg)和瓦格(Waage)等例如,基元反应 NO2+CO NO+CO2 反应速率
9、 =kc(NO2).c(CO)现在学习的是第14页,共61页在一定温度下,对任一基元反应:=kc(A)a.c(B)b反应速率方程式为:为反应速率a和b分别称为反应物A和B的分级数,n=a+b 称为总反应级数,简称反应级数;a A+b B=p C+q D(23)此为基元反应基元反应质量作用定律质量作用定律的数学表达式,也称为基元反应的速率方程式。k 称为速率常数。15现在学习的是第15页,共61页应该注意的是:质量作用定律只适用于基元反应,对于非基元反应,反应级数一般不能依据反应的计量方程式写出速成率方程式,a和b 要由实验确定的。非基元反应反应级数可以是整数、分数,也可以是负数。速率常数k 的
10、意义:可理解为当各有关反应物浓度都为单位浓度时的反应速率;k由化学反应本性决定,是化学反应在一定温度时的特征常数;相同条件下,k值越大,反应速率越快;k的数值反应温度、催化剂等因素有关,与反应物的浓度无关。对于反应:2NO+2H2 N2+2H2O根据实验结果得出速率方程式为:=k c(NO)2.c(H2)第一步 2NO+H2 N2+H2O2(慢)第二步 H2+H2O2 2H2O(快)现在学习的是第16页,共61页化学反应速率方程的确立方法初始速率法例:对于反应 NH4+(aq)+NO2(aq)N2(g)+2H2O(l),实验测得反应数据如下:实验 初始c(NH4+)初始c(NO2)初始速率(m
11、ol L1 s1)1 0.100 mol L1 0.005 mol L1 1.3510-72 0.100 mol L1 0.010 mol L1 2.7010-73 0.200 mol L1 0.010 mol L1 5.4010-7 由实验1和2可知:2:1=2.00=0.010/0.005=(2.0)b b=1 由实验2和3可知:3:2=2.00=0.200/0.100 =(2.0)a a=1解 (1)=k ca(NH4+)cb(NO2)(1)写出该反应的反应速方程式;(2)指出该反应的反应级数;(3)计算298K时反应的速率常数。现在学习的是第17页,共61页 k=1.3510-7mol
12、L1s-1/(0.100mol L1)(0.005molL1)=2.7 10-4mol-1dm3s-1(3)k=/c(NH4+)c(NO2)=k c(NH4+)c(NO2)(2)该反应为二级反应3.零级反应和一级反应化学反应的级数可以为正整数、分数,也可以是零或负数。应该注意的是:反应级数是由实验确定的。不同级数的化学反应,浓度与时间的关系方程式不同。现在学习的是第18页,共61页零级反应又如:=k c0(N2O)=k=常数零级反应:反应速率与反应物浓度无关(即与反应物浓度的零次方成正比)。现在学习的是第19页,共61页零级反应的特征:反应速率为一常数,反应速率与反应物起始浓度和反应经历的时间
13、无关。零级反应的速率方程式为:=k=常数反应物浓度与时间的关系式为:直线斜率为k半衰期:半衰期:当反应物消耗一半所需的时间,符号为 t1/2反应速率常数 k 的单位与反应速率单位相同,为mol L1 s1半衰期与初始浓度有关现在学习的是第20页,共61页一级反应一级反应:反应速率与反应物浓度的一次方成正比。元素的放射性衰变,蔗糖水解,H2O2 分解等属于一级反应。如:=k c 一级反应的速率方程式为:反应物浓度与时间的关系式为:或(24)现在学习的是第21页,共61页60Co 的 t1/2=5.2年14C 的 t1/2=5730 年238U 的 t1/2=4.5109年232Th 的 t1/2
14、=1.41010年14C 常用于文物的年代测定238U常用于地球的年龄测定232Th是半衰期最长的同位素60Co是医用放射性同位素例如半衰期半衰期t1/2为:22现在学习的是第22页,共61页lg c与t成直线关系;t1/2与反应物起始浓度无关。反应速率常数 k 的单位为:时间-1。如s-1,min-1等;lg c t以 lg c 对反应时间 t 作图一级反应的特征:直线斜率为:k/2.303反应速率与反应物浓度的一次方成正比;=k c现在学习的是第23页,共61页 例例 2323 反应 2H2O2 2H2O+O2 为一级反应,反应速率常数k=0.041 min-1。(1)若H2O2的起始浓度
15、为0.5 mol L1,10min后其浓度为多少?(2)计算H2O2分解的半衰期t1/2为多少?解(1)设10min后H2O2的浓度为C,将C0=0.5 mol L1 代入式(24)得:现在学习的是第24页,共61页(2)半衰期t1/2为:该反应的半衰期t1/2为16.9 min.现在学习的是第25页,共61页 例例 从考古发现的某古书卷中取出的小块纸片,测得其中 14C/12C 的比值为现在活的植物体内 14C/12C 的比值的0.795 倍。试估算该古书卷的年代。可用式(25)求得此一级反应速率常数k根据式(24)及题意 c=0.795 c0,可得:t=1900 a已知,解:解:26现在学
16、习的是第26页,共61页2.2.2 温度对反应速率的影响范特霍夫经验规则阿仑尼乌斯经验公式当浓度一定时,温度对反应速率的影响实质上是温度对反应速率常数的影响,温度升高,反应速率常数增大,反应速率相应加快。=kc(A)a.c(B)b1884年,范特霍夫提出一条经验规则:在反应物浓度相同的情况下,温度每升高10K,反应速率(或反应速率常数)约增加24倍。范特霍夫经验规则:现在学习的是第27页,共61页18891889年,阿仑尼乌斯年,阿仑尼乌斯根据大量实验和理论验证,提出反应速反应速率与温度率与温度的定量关系式:(26)写成对数形式为:(27)或阿仑尼乌斯经验公式:式中为反应速率常数;T为热力学温
17、度;R为摩尔气体常数(8.314J mol K1);Ea为反应的活化能(单位 kJ.mol-1);A称为指前因子或表观频率因子。它是一个只由反应本性决定而与反应温度及系统中物质浓度无关的常数,与k具有相同的量纲,由实验求得。现在学习的是第28页,共61页K/TO图21 T关系图OT/Kk图22 lgT关系图(1)T呈指数关系,T对的影响较大;(2)lg T呈直线关系:斜率=;求Ea;截距=,可求A。(3)Ea在表达式的指数项中,Ea对的影响也较大。Ea有较小改变,就会有显著变化。从式可以看出:29现在学习的是第29页,共61页阿仑尼乌斯经验公式圆满解决了两个问题:阿仑尼乌斯经验公式圆满解决了两
18、个问题:对对的影响:的影响:a a一定,越高,一定,越高,越大,越大,k k越大,速率越越大,速率越大,大,k k与呈指数关系,稍有变化,与呈指数关系,稍有变化,k k有较大变化有较大变化 a a对对的影响:一定,的影响:一定,EaEa越小,越小,越大,越大,k k越大,速率越大,速率越大。越大。现在学习的是第30页,共61页阿仑尼乌斯公式的应用阿仑尼乌斯公式的应用:(1)求Ea。已知两个不同温度下的的 k求Ea。(2)已知Ea和某一温度时的k,计算另一温度 T 时的 k。(2)(1)(2)(1)得:(28)或31现在学习的是第31页,共61页应当注意:应当注意:动力学中阿仑尼乌斯经验公式所表
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