化学反应的速度PPT讲稿.ppt

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1、化学反应的速度化学反应的速度2023/1/2023/1/2023/1/2023/1/161616161 1 1 1第1页，共45页，编辑于2022年，星期五 任何的化学反应都有两个最基本的问题任何的化学反应都有两个最基本的问题1.1.反应的方向和限度反应的方向和限度化学热力学研究范畴化学热力学研究范畴2.2.反应的速率反应的速率化学动力学研究范畴化学动力学研究范畴 化学动力学：研究化学反应速率及其机化学动力学：研究化学反应速率及其机理的科学理的科学.2023/1/162023/1/162 2第2页，共45页，编辑于2022年，星期五 化学动力学的基本任务化学动力学的基本任务：研究各种因素：研究

2、各种因素对反应速率的影响；揭示化学反应进行的机对反应速率的影响；揭示化学反应进行的机理；研究物质结构与反应性能之间的关系。理；研究物质结构与反应性能之间的关系。化学动力学的研究目的化学动力学的研究目的：能控制化学反：能控制化学反应的进行；使反应按人们所希望的速率进行，应的进行；使反应按人们所希望的速率进行，并得到人们所希望的产品。并得到人们所希望的产品。2023/1/162023/1/163 3第3页，共45页，编辑于2022年，星期五4-1 4-1 反应速率的定义及表示方法反应速率的定义及表示方法1.1.反应速率的定义反应速率的定义：指在一定条件下，由反应：指在一定条件下，由反应物转变为生成

3、物的快慢程度。物转变为生成物的快慢程度。2.2.反应速率的表示方法反应速率的表示方法：用单位时间内反应物：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。浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。浓度浓度:moldm:moldm-3 -3 ;时间时间:s or min or h:s or min or h 速率速率:moldm:moldm-3-3ss-1-12023/1/162023/1/164 4第4页，共45页，编辑于2022年，星期五2023/1/162023/1/165 5第5页，共45页，编辑于2022年，星期五推广至一般反应：推广至一般反应：aA+bBgG+hHaA+bBgG+hH

4、2023/1/162023/1/166 6第6页，共45页，编辑于2022年，星期五瞬时速率与平均速率瞬时速率与平均速率2023/1/162023/1/167 7第7页，共45页，编辑于2022年，星期五4-2 4-2 化学反应速率与反应物浓度的化学反应速率与反应物浓度的关关系系一、浓度对化学反应速率的影响一、浓度对化学反应速率的影响二、温度对化学反应速率的影响二、温度对化学反应速率的影响三、催化剂对化学反应速率的影响三、催化剂对化学反应速率的影响2023/1/162023/1/168 8第8页，共45页，编辑于2022年，星期五一、浓度对化学反应速率的影响一、浓度对化学反应速率的影响1.1.

5、基元反应和非基元反应基元反应和非基元反应基元反应：基元反应：反应物分子在有效碰撞中一步直接反应物分子在有效碰撞中一步直接转化为产物的反应转化为产物的反应.NO NO2 2+CONO+CO+CONO+CO2 2;2NO;2NO2 22NO+O2NO+O2 2非基元反应非基元反应:由多个基元反应完成的复杂反应由多个基元反应完成的复杂反应.2HI(g)H 2HI(g)H2 2(g)+2I(g)(g)+2I(g)慢慢(定速步骤定速步骤)2I(g)I 2I(g)I2 2(g)(g)快快2023/1/162023/1/169 9第9页，共45页，编辑于2022年，星期五2.2.质量作用定律质量作用定律 木

6、炭在纯氧中燃烧比在空气中木炭在纯氧中燃烧比在空气中结论结论:一定温度下增加反应物的浓度一定温度下增加反应物的浓度,反应反应 速率增大速率增大.解释解释:对某一化学反应来说对某一化学反应来说,在一定温度下在一定温度下,反反应物中的活化分子百分数是一定的应物中的活化分子百分数是一定的.增加反应增加反应物的浓度物的浓度,单位体积内活化分子数增多单位体积内活化分子数增多,有效碰有效碰撞次数增多撞次数增多,反应速率加快反应速率加快.快快2023/1/162023/1/161010第10页，共45页，编辑于2022年，星期五数学表达式数学表达式:aA+bBgG+hH:aA+bBgG+hH=kA=kAa a

7、BBb b k k为速率常数，其单位依为速率常数，其单位依a,ba,b的数值而不同。的数值而不同。a,ba,b可能与方程式中反应物前可能与方程式中反应物前的系数相等。的系数相等。对任一对任一基元反应基元反应，在一定温度下，其反应速，在一定温度下，其反应速率与各反应物浓度以其计量数为指数的幂的率与各反应物浓度以其计量数为指数的幂的连乘积成正比。连乘积成正比。2023/1/162023/1/161111第11页，共45页，编辑于2022年，星期五（1 1）反应级数：）反应级数：a+ba+b (零、正数、负数或分数零、正数、负数或分数)反 应反应速率方程式反应级数SO2Cl2SO2+Cl2=kSO2

8、Cl212NO22NO+O2=kNO222NO2+CONO+CO2=kNO2CO1+1=22H2+2NO2H2O+N2=kH2NO21+2=32023/1/162023/1/161212第12页，共45页，编辑于2022年，星期五因因 速度快，速度快，的速度慢，致使的速度慢，致使很快建立平衡且很快建立平衡且始终保持着正逆反应速率相等的平衡状态。始终保持着正逆反应速率相等的平衡状态。是总反应的定速步骤，这步反应的速率即为是总反应的定速步骤，这步反应的速率即为总总反应的速率反应的速率 =k=k2 2HH2 2II2 2 非基元反应：非基元反应：H H2 2(g)+I(g)+I2 2(g)=2HI(

9、g)(g)=2HI(g)I+I I+I（快）快）I I2 2 每一步都为基元反应每一步都为基元反应 H H2 2+2I2HI +2I2HI （慢）（慢）2023/1/162023/1/161313第13页，共45页，编辑于2022年，星期五=k=k2 2HH2 2II2 2因因始终保持着正逆反应速率相等的平衡状态。始终保持着正逆反应速率相等的平衡状态。+=-即即 k k+II2 2=k=k-II2 2II2 2=(k=(k+/k/k-)I)I2 2 代入总式代入总式 =k=k2 2(k(k+/k/k-)H)H2 2II2 2=kH=kH2 2II2 2 虽然该式与质量作用定律形式一致，但虽然该

10、式与质量作用定律形式一致，但H H2 2与与I I2 2化合化合生成生成HIHI的反应并非基元反应。的反应并非基元反应。I+I I+I（快）快）I I2 2 2023/1/162023/1/161414第14页，共45页，编辑于2022年，星期五(2)(2)反应分子数反应分子数基元反应或复杂反应的基元步骤中发生反应所基元反应或复杂反应的基元步骤中发生反应所需要的微粒（分子、原子、离子、或自由基）需要的微粒（分子、原子、离子、或自由基）的数目。的数目。非基元反应不谈分子数非基元反应不谈分子数反应分子数只能为反应分子数只能为1 1、2 2、3 3几个整数。几个整数。=kI=kI-ClOClO-OH

11、OH-1 1级级非基元反应：非基元反应：CO+ClCO+Cl2 2COClCOCl2 2 =kCOCl =kCOCl2 2 3/23/2 2.5 2.5级级I I-+ClO+ClO-=IO=IO-+Cl+Cl-2023/1/162023/1/161515第15页，共45页，编辑于2022年，星期五（3 3）速率常数）速率常数k k aA+bBgG+hHaA+bBgG+hH =kA=kAa aBBb b意义：当意义：当A=B=1moldmA=B=1moldm-3-3,=k ,=k 即即k k可看作某反应在一定温度下，反应物为单可看作某反应在一定温度下，反应物为单位浓度时的反应速率。位浓度时的反应

12、速率。某特定反应某特定反应,k,k与温度、催化剂有关，与与温度、催化剂有关，与反应物的浓度无关。反应物的浓度无关。2023/1/162023/1/161616第16页，共45页，编辑于2022年，星期五速率常数的单位与反应级数有关速率常数的单位与反应级数有关 aA+bBgG+hHaA+bBgG+hH =kA =kAa aBBb b一级：一级：S S-1-1二级：二级：dmdm3 3 molmol-1-1 S S-1 -1 n n级：级：(dm(dm3 3)n-1 n-1 mol mol-(n-1)-(n-1)S S-1-12023/1/162023/1/161717第17页，共45页，编辑于2

13、022年，星期五注意：同一化学反应的反应速率，往往随选用注意：同一化学反应的反应速率，往往随选用的测定对象不同而不同，但针对不同测定对象的测定对象不同而不同，但针对不同测定对象的速率方程却相同。的速率方程却相同。aA+bBgG+hHaA+bBgG+hHA A=-dc(A)/dt ;=-dc(A)/dt ;A A=k=kA AAAa aBBb b G G=dc(G)/dt ;=dc(G)/dt ;G G=k=kG GAAa aBBb bk k不同，不同，(1/a)k(1/a)ka a=(1/b)k=(1/b)kb b=(1/g)k=(1/g)kg g=(1/h)k=(1/h)kh h2023/1

14、/162023/1/161818第18页，共45页，编辑于2022年，星期五应用质量作用定律应注意问题：应用质量作用定律应注意问题：（1 1）质量作用定律只适用于基元反应（包括）质量作用定律只适用于基元反应（包括非基元反应中的每一步基元反应）非基元反应中的每一步基元反应）（2 2）稀溶液中溶剂（如：水）参加的反应，）稀溶液中溶剂（如：水）参加的反应，溶剂浓度视为常数，不写溶剂浓度视为常数，不写 C C1212H H2222O O1111+H+H2 2OCOC6 6H H1212O O6 6+C+C6 6H H1212O O6 6 蔗糖蔗糖 葡萄糖葡萄糖 果糖果糖（3 3）反应物中有固体或纯液体

15、，反应速率与）反应物中有固体或纯液体，反应速率与其量无关，即固体或纯液体按常数处理。其量无关，即固体或纯液体按常数处理。C C（s)+Os)+O2 2(g)CO(g)CO2 2(g)(g)=kO=kO2 2 2 2Na(s)+2HNa(s)+2H2 2O(l)2NaOH(aq)+HO(l)2NaOH(aq)+H2 2(g)(g)=k=k2023/1/162023/1/161919第19页，共45页，编辑于2022年，星期五4-3 4-3 反应机理，反应物浓度与时间反应机理，反应物浓度与时间的的关系关系4-3-1 反应机理初探反应机理初探 复杂反应由基元反应组成，对每一步基元复杂反应由基元反应组

16、成，对每一步基元反应写出其速率方程。各步基元反应中速反应写出其速率方程。各步基元反应中速度最慢者为控速步骤，决定了整个复杂反度最慢者为控速步骤，决定了整个复杂反应的速率。应的速率。以课本以课本p77 NO的氧化反应为例了解平衡假的氧化反应为例了解平衡假设法和稳态假设法。设法和稳态假设法。2023/1/162023/1/162020第20页，共45页，编辑于2022年，星期五4-3-2 反应物浓度与时间的关系反应物浓度与时间的关系对于反应速率与反应物浓度无关的零级反应来说：-dc(A)/dt=K c=-K t+常数当反应时间由t=0 到t=t时刻，反应物A的浓度由c(A)0变化到c(A)，则有：

17、c(A)-c(A)0=-K t则 半衰期t1/2=c(A)0/(2K)即：零级反应的半衰期不仅与反应速率常数有关，还与反应物初始浓度有关。2023/1/162023/1/162121第21页，共45页，编辑于2022年，星期五对于一级反应来说：-dc(A)/dt=K c(A)简化为-dc/dt=K c (-1/c)dc=K dt lnc=-K t+常数当反应时间由t=0 到t=t时刻，反应物A的浓度由c0变化到c，则有：lnc-lnc0=-K t 整理为 ln(c0/c)=K t 则 半衰期t1/2=ln2/K即：一级反应的半衰期只与反应速率常数有关，与反应物初始浓度无关。2023/1/162

18、023/1/162222第22页，共45页，编辑于2022年，星期五二、温度对化学反应速率的影响二、温度对化学反应速率的影响 H H2 2+1/2O+1/2O2 2HH2 2O O 常温下觉察不出反应，当温度常温下觉察不出反应，当温度升至升至873K873K时，则立刻反应并发生爆炸。时，则立刻反应并发生爆炸。夏天，食物置冰箱可保鲜，放外面易腐败。夏天，食物置冰箱可保鲜，放外面易腐败。结论：结论：升高温度可增大反应速率升高温度可增大反应速率规律：规律：一般反应，在反应物浓度相同的条件下，温一般反应，在反应物浓度相同的条件下，温度升高度升高10K10K，反应速率可增加，反应速率可增加2-42-4倍

19、。倍。2023/1/162023/1/162323第23页，共45页，编辑于2022年，星期五解释：解释：(1)(1)一方面一方面,温度升高温度升高,分子运动速率增大分子运动速率增大,分子间分子间碰撞频率增大碰撞频率增大,反应速率加快反应速率加快.(2)(2)更主要的是更主要的是,在所有分子普遍获得能量的基础在所有分子普遍获得能量的基础上上,更多的分子变为活化分子更多的分子变为活化分子,增大了活化分子增大了活化分子的百分数的百分数,因而单位时间内有效碰撞次数增大因而单位时间内有效碰撞次数增大,反应速率加快反应速率加快.（有效碰撞）（有效碰撞）(3)(3)反应物必须爬过一个能垒才能进行反应，升高

20、反应物必须爬过一个能垒才能进行反应，升高温度，有利于提高反应物能量，加快反应速度。温度，有利于提高反应物能量，加快反应速度。（活化过渡态）（活化过渡态）2023/1/162023/1/162424第24页，共45页，编辑于2022年，星期五从上公式可看出，从上公式可看出，k k与与T T成指数关系，温度成指数关系，温度的微小变化，将导致的微小变化，将导致k k值的较大变化值的较大变化因温度对反应物浓度影响不大，故以因温度对反应物浓度影响不大，故以k k代代。如果说如果说增大增大2 2倍，则倍，则k k也增大也增大2 2倍倍=kA=kAa aBBb b2023/1/162023/1/162525

21、第25页，共45页，编辑于2022年，星期五以以lnklnk对对1/T1/T做图，得直线斜率做图，得直线斜率=-Ea/R=-Ea/R一定的温度范围内，一定的温度范围内，T T变化不大时，变化不大时，EaEa和和A A可视为定值。可视为定值。活化能的确定方法：活化能的确定方法：2023/1/162023/1/162626第26页，共45页，编辑于2022年，星期五2023/1/162023/1/162727第27页，共45页，编辑于2022年，星期五 活化能对反应速率的影响活化能对反应速率的影响 lgklgk 4.0 4.0 3.0 3.0 2.0 2.0 1.0 1.0 0.0 0.0 0.5

22、 1.0 1.5 2.0 1/0.5 1.0 1.5 2.0 1/T(10T(10-3 3K K-1 1)2000 1000 666.7 500 2000 1000 666.7 500 T T Ea小Ea大2023/1/162023/1/162828第28页，共45页，编辑于2022年，星期五（1）活化能较大的反应，其反应速率随温度）活化能较大的反应，其反应速率随温度升高增加较快，升高增加较快，所以升高温度更有利于活化能所以升高温度更有利于活化能较大的反应的进行。较大的反应的进行。例：例：T T1 1=1000K=1000K（1.01.0）T T2 2=2000K=2000K（0.50.5）E

23、aEa小的反应，小的反应，k k从从10103 310104 4，扩大，扩大1010倍倍EaEa大的反应，大的反应，k k从从101010103 3，扩大，扩大100100倍倍（2 2）一个反应在低温时速率随温度变化比在）一个反应在低温时速率随温度变化比在高温时显著的多。高温时显著的多。例：对例：对EaEa小的反应，小的反应，扩扩大大1010倍倍 低温区：低温区：k k从从1010010100，只需升温，只需升温166.7K166.7K 高温区：高温区：k k从从100010000100010000，需升温，需升温1000K1000K2023/1/162023/1/162929第29页，共45

24、页，编辑于2022年，星期五三、催化剂对化学反应速率的影响三、催化剂对化学反应速率的影响1.1.催化剂的定义催化剂的定义 能改变化学反应速率，其本身在反应前能改变化学反应速率，其本身在反应前后质量和化学组成均不改变的物质。后质量和化学组成均不改变的物质。正催化剂：能加快反应速率正催化剂：能加快反应速率 负催化剂：减慢反应速率负催化剂：减慢反应速率2.2.催化机理催化机理 催化剂参与了化学反应，改变了反应的历催化剂参与了化学反应，改变了反应的历程，降低了反应的活化能，所以反应速率加快程，降低了反应的活化能，所以反应速率加快.2023/1/162023/1/163030第30页，共45页，编辑于2

25、022年，星期五2023/1/162023/1/163131第31页，共45页，编辑于2022年，星期五2023/1/162023/1/163232第32页，共45页，编辑于2022年，星期五2023/1/162023/1/163333第33页，共45页，编辑于2022年，星期五3.3.催化作用特点催化作用特点:（1 1）催化剂只能通过改变反应途径来改变反应）催化剂只能通过改变反应途径来改变反应速率速率,不能改变反应的起始状态，因此不能改变不能改变反应的起始状态，因此不能改变反应的反应的r rH H、r rG G。（2 2）同一可逆反应，催化剂能等值降低）同一可逆反应，催化剂能等值降低Ea(E

26、a(正正)、EaEa（逆）即同时改变正逆反应速度。（逆）即同时改变正逆反应速度。（3 3）催化剂具有选择性：）催化剂具有选择性：不同的反应要用不不同的反应要用不同的催化剂；同的催化剂；同样的反应物选用不同的催化同样的反应物选用不同的催化剂，产生不同的效果。剂，产生不同的效果。2023/1/162023/1/163434第34页，共45页，编辑于2022年，星期五4.4.催化反应种类催化反应种类（1 1）均相催化反应：催化剂与反应物同处）均相催化反应：催化剂与反应物同处一相。一相。CHCH3 3COOCHCOOCH3 3+H+H2 2OCHOCH3 3COOH+CHCOOH+CH3 3OHOH（

27、H H+催化）催化）（2 2）多相催化反应：反应体系中同时存在两）多相催化反应：反应体系中同时存在两个或两个以上相的反应。个或两个以上相的反应。常见常见:催化剂为固体催化剂为固体,反应物为气体或液体。反应物为气体或液体。2023/1/162023/1/163535第35页，共45页，编辑于2022年，星期五4-4 4-4 反应速率理论简介反应速率理论简介一、碰撞理论一、碰撞理论二、过渡状态理论二、过渡状态理论2023/1/2023/1/2023/1/2023/1/1616161636363636第36页，共45页，编辑于2022年，星期五一、碰撞理论一、碰撞理论 理论要点理论要点：反应物分子之

28、间的相互碰撞是：反应物分子之间的相互碰撞是反应进行的先决条件。但并不是每次碰撞都反应进行的先决条件。但并不是每次碰撞都能发生反应。实验证明，大多数反应物分子能发生反应。实验证明，大多数反应物分子之间的碰撞都是无效的（不发生反应），只之间的碰撞都是无效的（不发生反应），只有极少数有极少数能量较高能量较高的分子，采取的分子，采取合适取向合适取向进行进行碰撞时才能发生反应。碰撞时才能发生反应。这种能发生反应的碰撞这种能发生反应的碰撞称为有效碰撞，有效碰撞次数越多，反应速称为有效碰撞，有效碰撞次数越多，反应速率越快。率越快。2023/1/162023/1/163737第37页，共45页，编辑于2022

29、年，星期五发生碰撞的分子应有足够高的能量发生碰撞的分子应有足够高的能量碰撞的几何方位要适当碰撞的几何方位要适当发生反应的两个基本前提发生反应的两个基本前提:2023/1/162023/1/163838第38页，共45页，编辑于2022年，星期五 反应物分子发生有效碰撞所必须反应物分子发生有效碰撞所必须具备的最低能量称为临界能或阈能具备的最低能量称为临界能或阈能(E(EC C），能量），能量EEEEC C的分子称为的分子称为活化分子活化分子。即活化分子发生的碰撞为有效碰撞。即活化分子发生的碰撞为有效碰撞。E EE EC C的分子为普通分子。的分子为普通分子。2023/1/162023/1/163

30、939第39页，共45页，编辑于2022年，星期五 活化能活化能(E(Ea a)=)=活化分子的平均能量（活化分子的平均能量（E E*）-反应物分子的平均能量（反应物分子的平均能量（E E）E EE EC C E E*2023/1/162023/1/164040第40页，共45页，编辑于2022年，星期五反应反应:O:O3 3(g)+NO(g)NO(g)+NO(g)NO2 2(g)+O(g)+O2 2(g)(g)2023/1/162023/1/164141第41页，共45页，编辑于2022年，星期五不同反应的活化能不同，在一定温度下不同反应的活化能不同，在一定温度下E Ea a越大越大,活化分

31、子百分数越小，单位时间内有活化分子百分数越小，单位时间内有效碰撞次数越少效碰撞次数越少,反应速率越慢反应速率越慢.E Ea a越小越小,活化分子百分数越大活化分子百分数越大,单位时间内有单位时间内有效碰撞次数越多效碰撞次数越多,反应速率越快反应速率越快.2023/1/162023/1/164242第42页，共45页，编辑于2022年，星期五 一般反应的活化能在一般反应的活化能在42-420kJmol42-420kJmol-1-1,大多数在大多数在62-250kJmol62-250kJmol-1-1之间之间.E Ea a42kJmol42kJmol-1-1,反应可瞬间完成反应可瞬间完成,如溶如溶

32、液中的中和反应液中的中和反应.E Ea a420kJmol420kJmol-1-1,反应极慢反应极慢.所以活化能是决定化学反应速率大小所以活化能是决定化学反应速率大小的重要因素的重要因素.2023/1/162023/1/164343第43页，共45页，编辑于2022年，星期五二、过渡状态理论二、过渡状态理论理论要点：具有足够能量的反应物分子经碰撞后，先理论要点：具有足够能量的反应物分子经碰撞后，先经过一个中间过渡状态，即先形成一种活化配合物，经过一个中间过渡状态，即先形成一种活化配合物，然后再分解为产物。然后再分解为产物。A+B-C A+B-C 反应物反应物 ABC ABC 活化配合物活化配合物 A-B+CA-B+C生成物生成物活化能：活化过渡态与反应物分子平均能量活化能：活化过渡态与反应物分子平均能量之差。之差。2023/1/162023/1/164444第44页，共45页，编辑于2022年，星期五Ea(+)Ea(-)=rHm2023/1/162023/1/164545第45页，共45页，编辑于2022年，星期五