第四章化学反应速率 (2)优秀PPT.ppt
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1、第四章化学反应速率第一页,本课件共有53页H2与与O2具具有有生生成成H2O的的强强烈烈趋趋势势,但但室室温温下下气气体体混混合合物物放放置置1万万年年仍仍看看不不出出生生成成H2O的的迹迹象象。为为了了利利用用这这个个反反应应释释放放的的巨巨大大能能量量,就就必必须须提提供供适适当当的的动动力力学学条条件件。因因此此,化化学学动动力力学研究还在于其实用意义。学研究还在于其实用意义。化化学学动动力力学学(化化学学的的动动力力学学)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供的的信信息息探探讨讨反反应应机机理理,即即研究反应的快慢和反应进行的途径。研
2、究反应的快慢和反应进行的途径。第二页,本课件共有53页定定 义义反应速率反应速率(反应比率反应比率)是指给定条件下反应物是指给定条件下反应物通过化学反应转化为产物的速率,常用单位时间通过化学反应转化为产物的速率,常用单位时间内反应物浓度的减少或者产物浓度的增加来表内反应物浓度的减少或者产物浓度的增加来表示。浓度常用示。浓度常用mol dm3,时间常用,时间常用s,min,h,d,y。反反应应速速率率又又分分为为平平均均速速率率(平平均均比比率率)和和瞬瞬时时速速率(瞬间比率)两种表示方法。率(瞬间比率)两种表示方法。第三页,本课件共有53页 实际工作中如何选择,往往取决于哪一种物质更易实际工作
3、中如何选择,往往取决于哪一种物质更易 通过实验监测其浓度变化。通过实验监测其浓度变化。aA +bB yY +zZ对于一般的化学反应:对于一般的化学反应:第四页,本课件共有53页瞬时速率只能用作图瞬时速率只能用作图的方法得到,例如对于的方法得到,例如对于反应(反应(45):):2N2O54NO2+O2反应的瞬时速率反应的瞬时速率c(N2O5)/moldm-3 v/moldm-3s-10.905.410-40.452.710-4第五页,本课件共有53页反应反应2W+XY+Z哪种速率表达式是正确的?哪种速率表达式是正确的?(同学们自己回答)(同学们自己回答)问题:问题:第六页,本课件共有53页为什么
4、化学反应速率千差万别?有的瞬间完成例如爆炸反应、紫外光固化反应;有的天长地久例如钟乳石的形成、高分子老化、高分子自然降解等。第七页,本课件共有53页4.2化学反应速度理论化学反应速度理论4.2.1碰撞理论碰撞理论碰撞.html(旧键断裂、新键生成)1918年年Lewis(路易斯路易斯)以气体分子运动论为基础提出了双分子反应以气体分子运动论为基础提出了双分子反应速率的碰撞理论,对反应速率做了较为正确的解释。速率的碰撞理论,对反应速率做了较为正确的解释。基本论点:气体分子间经过碰撞形成新的分子。反应分子碰撞的频率越高,反应速率越快,即反应速率大小与反应物分子碰撞的频率成正比。但理论计算气体分子碰撞
5、频率为3.5x1028次/升.秒,相当于反应速度5.8x104mol/l.s,即瞬间完成。实际上气体反应速度千差万别,有的很慢,有的很快。为什么?第八页,本课件共有53页有效碰撞有效碰撞有效碰撞有效碰撞的概念的概念:不一定每次碰撞都能发生反应。能发生反应的:不一定每次碰撞都能发生反应。能发生反应的碰撞叫有效碰撞。能发生有效碰撞的分子首先必须具有足够的碰撞叫有效碰撞。能发生有效碰撞的分子首先必须具有足够的能量,以克服分子无限接近时电子云之间的斥力,导致分子中能量,以克服分子无限接近时电子云之间的斥力,导致分子中的原子重排,即发生化学反应。的原子重排,即发生化学反应。活化分子活化分子:能发生有效碰
6、撞的分子叫活化分子。能发生有效碰撞的分子叫活化分子。活化分子在整个体系中所占的比例称为活化分子百分数。活化分子在整个体系中所占的比例称为活化分子百分数。不同化学反应活化分子百分数不同,因此化学反应速率不同化学反应活化分子百分数不同,因此化学反应速率也不同。(活化分子与非活化分子的区别在于:能量不同)也不同。(活化分子与非活化分子的区别在于:能量不同)。讨论讨论讨论讨论:活化分子百分数越大,反应速率越大。活化分子百分数越大,反应速率越大。由非活化分子变为活化分子:能量升高由非活化分子变为活化分子:能量升高第九页,本课件共有53页第十页,本课件共有53页Ec图图-气体分子的能量分布曲线气体分子的能
7、量分布曲线Ea具有能量具有能量E的分子分数的分子分数v分子的能量分布分子的能量分布v分子的平均能量分子的平均能量v活化分子活化分子v活化能活化能Eav有效碰撞有效碰撞EEEc第十一页,本课件共有53页浓度、温度、催化剂浓度、温度、催化剂对反应速率影响的解释对反应速率影响的解释v浓度的影响v温度一定时,反应物浓度越大,反应物分子总数越多,活化分子数随之增多,反应速率增大。v温度的影响v浓度一定时,温度越高,活化分子分数越大,反应速率越大。第十二页,本课件共有53页温度对反应速率的影响示意图气体分子的能量分布图气体分子的能量分布图第十三页,本课件共有53页催化剂的影响催化剂的影响当反应的浓度和温度
8、一定时,加催化剂能当反应的浓度和温度一定时,加催化剂能大大加快反应的速率,原因在于加催化剂大大加快反应的速率,原因在于加催化剂后反应沿着活化能较低的途径进行反应,后反应沿着活化能较低的途径进行反应,活化能降低会大大增加活化分子的分数,活化能降低会大大增加活化分子的分数,因而大大加快反应速率。因而大大加快反应速率。加催化剂后活加催化剂后活化分子数大大增化分子数大大增加。加。未加催化剂时反应未加催化剂时反应活化分子的分数。活化分子的分数。第十四页,本课件共有53页二、过渡态理论二、过渡态理论过渡态过渡态.html(有机化学(有机化学)要点:任何化学反应,都要经过一个过渡状态要点:任何化学反应,都要
9、经过一个过渡状态(中间态、过渡态、活性配合物:(中间态、过渡态、活性配合物:旧键部分断旧键部分断裂、新键部分生成的高能量亚稳态),才能生裂、新键部分生成的高能量亚稳态),才能生成产物。成产物。过渡态特点:过渡态特点:高能量高能量可以分解生成产物,也可以分解可以分解生成产物,也可以分解回到反应物。回到反应物。活化能:反应物的势能与过渡态的能量差。活化能:反应物的势能与过渡态的能量差。(活化能越小,则反应越容易进行)。(活化能越小,则反应越容易进行)。第十五页,本课件共有53页反应历程势能图反应历程势能图第十六页,本课件共有53页过渡状态理论过渡状态理论认为:认为:v从反应物到生成物之间会形成一种
10、势能较高从反应物到生成物之间会形成一种势能较高的的活化配合物活化配合物(或活化中间体或活化中间体),活化配合物,活化配合物所处的状态称为过渡状态。所处的状态称为过渡状态。v活化配合物的势能活化配合物的势能Ec较高,不稳定,会很快较高,不稳定,会很快分解为产物或反应物。分解为产物或反应物。v活化配合物的最低势能与反应物的平均势量活化配合物的最低势能与反应物的平均势量之差为反应的活化能。即之差为反应的活化能。即 Ea=EcE平均平均第十七页,本课件共有53页化学反应过程中势能变化曲线化学反应过程中势能变化曲线EcEc放热反应放热反应吸热反应吸热反应E平均E平均过渡状态理论示意图过渡状态理论示意图第
11、十八页,本课件共有53页第十九页,本课件共有53页 反应物的能量必反应物的能量必 须爬过一个能垒须爬过一个能垒 才能转化为产物才能转化为产物 即使是放热反应即使是放热反应(rH为负值为负值),外界仍必须提供外界仍必须提供最低限度的能量,最低限度的能量,这个能量就是这个能量就是反应的活化能反应的活化能第二十页,本课件共有53页4.3影响化学反应速率的因素4.3.1浓度对化学反应速率的影响浓度对化学反应速率的影响白磷在纯氧气中和在空气中的燃烧白磷在纯氧气中和在空气中的燃烧在温度恒定情况下在温度恒定情况下,增加反应物的浓度可以增大反应增加反应物的浓度可以增大反应速率。速率。用来表示反应速率与反应物浓
12、度之间定量的关系式用来表示反应速率与反应物浓度之间定量的关系式叫叫速率方程。速率方程。第二十一页,本课件共有53页基元反应基元反应:由反应物一步反应为生成物的反应。由反应物一步反应为生成物的反应。特点:一步反应,没有中间产物。特点:一步反应,没有中间产物。一些基元反应:一些基元反应:O3(g)+NO(g)NO2(g)+O2(g)2NO22NO+O2SO2Cl2SO2+Cl2第二十二页,本课件共有53页非基元反应非基元反应由两个或两个以上基元反应组合而成的反应。由两个或两个以上基元反应组合而成的反应。特点:实验可检测到中间产物特点:实验可检测到中间产物,但中间产物但中间产物被后面的一步或几步基元
13、反应消耗掉被后面的一步或几步基元反应消耗掉,不出现不出现在总反应方程式中。在总反应方程式中。v例如:反应例如:反应NO2(g)+CO(g)NO(g)+CO2(g)中间产物中间产物NO3可被光谱检测到,但是没有从混合物中分可被光谱检测到,但是没有从混合物中分离出来。因此上述反应可视为由下列两个基元反应组合离出来。因此上述反应可视为由下列两个基元反应组合而成,或反应历程(机理)为:而成,或反应历程(机理)为:NO2+NO2NO3+NO(慢)(慢)NO3+CONO2+CO2(快)(快)第二十三页,本课件共有53页结论:结论:非基元反应是由两个或两个以上基元反应非基元反应是由两个或两个以上基元反应组合
14、而成的;组合而成的;一个反应是否基元反应只能由实验决定。一个反应是否基元反应只能由实验决定。第二十四页,本课件共有53页一、反应物浓度与化学反应速率的关系一、反应物浓度与化学反应速率的关系浓度的影响浓度的影响-质量作用定律(质量作用定律(用碰撞理论解释用碰撞理论解释)基元反应基元反应:aA+dB=gC+hD则:则:(速率方程式:含义?)速率方程式:含义?)其中:其中:反应速率;反应速率;k反应速率常数,由实验测出;反应速率常数,由实验测出;反应物反应物A的系数,也称为反应物的系数,也称为反应物A的级数;的级数;d反应物反应物D的系数,也称为反应物的系数,也称为反应物D的级数;的级数;+d 称为
15、反应级数,相应的反应称为一级反应,二级反应或称为反应级数,相应的反应称为一级反应,二级反应或三级反应,一级反应和二级反应是常见的,目前还未发现有四级三级反应,一级反应和二级反应是常见的,目前还未发现有四级反应。反应。第二十五页,本课件共有53页(慢,速率控制步骤)对非基元反应对非基元反应反应机理为反应机理为(快)速率控制步骤速率控制步骤(慢慢)的速率的速率=非基元反应的速率非基元反应的速率速率方程式为速率方程式为第二十六页,本课件共有53页使用质量作用定律注意事项:使用质量作用定律注意事项:只适用于基元反应(一步完成的反应)或复只适用于基元反应(一步完成的反应)或复杂反应中的分步反应。杂反应中
16、的分步反应。稀溶液中溶剂参加反应,其浓度不列入速率稀溶液中溶剂参加反应,其浓度不列入速率方程式。方程式。固体、纯液体参加的多相化学反应,固体、固体、纯液体参加的多相化学反应,固体、纯液体不列入速率方程式。纯液体不列入速率方程式。第二十七页,本课件共有53页二、非基元反应速率方程的确定二、非基元反应速率方程的确定其中,其中,k,m和和n值由实验测出。即对非基元反应,反应速率方程值由实验测出。即对非基元反应,反应速率方程式应由实验测出。式应由实验测出。m或或n可以为正整数,也可以为分数和零。可以为正整数,也可以为分数和零。m+n为反应级数,常见的反应有一级反应和二级反应。为反应级数,常见的反应有一
17、级反应和二级反应。对于非基元化学反应对于非基元化学反应aA+dDgG+hH反应速率方程式可写为:反应速率方程式可写为:第二十八页,本课件共有53页由实验确定速率方程的简单方法由实验确定速率方程的简单方法初始速率法初始速率法例例编编号号初始浓度初始浓度/mol.L-1V/mol.L-1s-1c(NO)c(H2)16.00 10-31.00 10-33.19 10-326.00 10-32.00 10-36.36 10-336.00 10-33.00 10-39.56 10-341.00 10-36.00 10-30.48 10-352.00 10-36.00 10-31.92 10-363.00
18、 10-36.00 10-34.30 10-3试根据表中数据,推出该反应的速率方程式。试根据表中数据,推出该反应的速率方程式。第二十九页,本课件共有53页解解设反应速率方程式为设反应速率方程式为=k c(NO)mc(H2)n根据表中数据根据表中数据1和和2,推出,推出n=1。根据表中数据根据表中数据4和和5,推出,推出m=2。因此该反应的速率方程式为:因此该反应的速率方程式为:为三级反应为三级反应第三十页,本课件共有53页三、反应级数和速率常数1、反应级数:0、1、2、3,可以是非整数。对反应对反应H2(g)+I2(g)=2HI(g)反应速率方程式为反应速率方程式为=k c(H2)c(I2)过
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