现代化学基础幻灯片.ppt
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1、现代化学基础第1页,共74页,编辑于2022年,星期日将化学反应应用于生产实践主要有两个方面的问题:将化学反应应用于生产实践主要有两个方面的问题:一是要了解反应进行的方向和最大限度以及外一是要了解反应进行的方向和最大限度以及外界条件对平衡的影响;界条件对平衡的影响;-化学热力学化学热力学 二是要知道反应进行的速率和反应的历程或机二是要知道反应进行的速率和反应的历程或机理。理。-化学动力学化学动力学第2页,共74页,编辑于2022年,星期日化学动力学研究一定条件下化学动力学研究一定条件下化学变化的化学变化的速率问题。速率问题。主要研究内容:主要研究内容:1 研究各种因素:研究各种因素:浓度浓度、
2、压力压力、温度温度、催化剂催化剂、溶剂、溶剂、光照射光照射等对化学反应速率的影响。等对化学反应速率的影响。2 研究宏观反应是经过那些具体步骤实现的研究宏观反应是经过那些具体步骤实现的即即反应机理反应机理。3 研究机理中每一步反应如何实现研究机理中每一步反应如何实现即即反应速率理反应速率理论。论。第3页,共74页,编辑于2022年,星期日12-1 化学反应的反应速率化学反应的反应速率及速率方程及速率方程The Rate of Chemical Reaction and its Equation第4页,共74页,编辑于2022年,星期日一、反应速率的定义及表示方法一、反应速率的定义及表示方法 反应
3、的计量方程反应的计量方程:以代数方程表示:以代数方程表示:第5页,共74页,编辑于2022年,星期日1)反应速率)反应速率按反应进度定义按反应进度定义反应进度反应进度转化速率转化速率单位:单位:mols-1第6页,共74页,编辑于2022年,星期日2)反应速率)反应速率按浓度表示法定义按浓度表示法定义反应速率:反应速率:反应速率:反应速率:单位:单位:molm-3s-1恒容反应恒容反应第7页,共74页,编辑于2022年,星期日生成速率生成速率生成速率生成速率(V V V V 恒定恒定)消耗速率消耗速率(V V 恒定恒定)讨论:讨论:1)本章中均采用)本章中均采用浓度表示法浓度表示法;2)化学计
4、量反应)化学计量反应第8页,共74页,编辑于2022年,星期日3)反应速率反应速率数值与用来表示速率的物质数值与用来表示速率的物质B的选择的选择无关无关,只与计,只与计量式写法有关;量式写法有关;生成速率或消耗速率生成速率或消耗速率与物质选择与物质选择有关有关,即。,即。与物质选择与物质选择无无关关与物质选择与物质选择有有关关例:例:第9页,共74页,编辑于2022年,星期日反应速率的实验测定反应速率的实验测定化学分析法化学分析法物理化学分析法物理化学分析法测测定定反反应应系系统统的的某某些些物物理理性性质质随随时时间间变变化化的的数数据据。这这些些物物理理性性质质应应与与反反应应物物和和产产
5、物物的的浓浓度度有有较较简简单单的的关关系系,且在反应前后有明显的改变。且在反应前后有明显的改变。电电导导、旋旋光光度度、吸吸光光度度、折折光光率率、粘度、气体的压力和体积粘度、气体的压力和体积第10页,共74页,编辑于2022年,星期日二、化学反应速率方程式二、化学反应速率方程式 在其他反应条件如温度、催化剂不变的情况下,在其他反应条件如温度、催化剂不变的情况下,表示反应速率与浓度之间关系或表示浓度等参数与表示反应速率与浓度之间关系或表示浓度等参数与时间关系的方程式称为时间关系的方程式称为化学反应速率方程式化学反应速率方程式。微分式(微分式(differencial expression)积
6、分式(积分式(integratial expression)第11页,共74页,编辑于2022年,星期日 1 1、基元反应和非基元反应、基元反应和非基元反应第12页,共74页,编辑于2022年,星期日基元反应(基元反应(elementary reaction)反应物分子反应物分子经过一个或几个简单的反应步骤才最后完成,每一个简经过一个或几个简单的反应步骤才最后完成,每一个简单的反应步骤成为一个基元反应。单的反应步骤成为一个基元反应。复合反应复合反应(overall reaction)由两个以上的基由两个以上的基元反应组合而成的反应。元反应组合而成的反应。反应机理反应机理(reaction me
7、chanisms)-复合复合反应中基元反应组合的方式或先后次序。反应中基元反应组合的方式或先后次序。第13页,共74页,编辑于2022年,星期日2 2、基元反应的速率方程、基元反应的速率方程-质量作用定律质量作用定律 基元反应的速率与各反应物基元反应的速率与各反应物浓度的幂乘积浓度的幂乘积成成正比,正比,各浓度的方次各浓度的方次为反应方程中相应组分的为反应方程中相应组分的化学计量系数化学计量系数。-质量作用定律质量作用定律(law of mass action)对于基元反应对于基元反应其速率方程为其速率方程为第14页,共74页,编辑于2022年,星期日3 3、非基元反应的速率方程、非基元反应的
8、速率方程1)由反应机理推导速率方程)由反应机理推导速率方程 一般说一般说,一个宏观反应若一个宏观反应若反应机理反应机理已知已知,则可依则可依据据质量作用定律质量作用定律推导宏观推导宏观反应速率方程反应速率方程.2)由实验数据得出的)由实验数据得出的经验速率方程经验速率方程 -化学反应速率方程的一般形式化学反应速率方程的一般形式第15页,共74页,编辑于2022年,星期日化学反应速率方程的一般形式:化学反应速率方程的一般形式:反应速率常数反应速率常数k(rate constant):与反应物本性、温度、催化剂有关;与反应物本性、温度、催化剂有关;反应级数反应级数n(overall reactio
9、n order):各组分反应分级数之和各组分反应分级数之和n=nA+nB+.反应分级数反应分级数(partial reaction order):式中各浓度的方次式中各浓度的方次nA,nB,第16页,共74页,编辑于2022年,星期日不同物质的速率常数不同物质的速率常数kA,kB.的关系的关系:例:例:所以所以:第17页,共74页,编辑于2022年,星期日4 4、反应级数和反应分子数、反应级数和反应分子数反应分子数反应分子数(reaction molecularity):基元反应中实际参加反应的反应物的分子数目基元反应中实际参加反应的反应物的分子数目单分子反应单分子反应双分子反应双分子反应三分
10、子反应三分子反应按按反应分子数反应分子数,基元反应可分为:,基元反应可分为:第18页,共74页,编辑于2022年,星期日反应级数和反应分子数的关系:反应级数和反应分子数的关系:1)无论是基元反应还是非基元反应的速率方程,)无论是基元反应还是非基元反应的速率方程,各物质浓度的幂的代数和均称为反应级数各物质浓度的幂的代数和均称为反应级数;2)对于基元反应,反应级数等于反应分子数,也)对于基元反应,反应级数等于反应分子数,也等于反应计量系数之和;反应级数只能是简单的等于反应计量系数之和;反应级数只能是简单的正整数;正整数;3)对于非基元反应,没有分子数的概念,反应级)对于非基元反应,没有分子数的概念
11、,反应级数不一定等于其计量系数之和。数不一定等于其计量系数之和。4)反应级数可为正负整数、分数、零,)反应级数可为正负整数、分数、零,且可随反应条件而改变。且可随反应条件而改变。第19页,共74页,编辑于2022年,星期日12-3 12-3 速率方程及其特征速率方程及其特征The Rate Equations in form of integration 第20页,共74页,编辑于2022年,星期日 表示反应速率与浓度之间关系的速率方程表示反应速率与浓度之间关系的速率方程微分式微分式:表示反应浓度与时间关系的速率方程表示反应浓度与时间关系的速率方程积分式积分式:cB=f(t)第21页,共74页
12、,编辑于2022年,星期日 一、零级反应一、零级反应 zeroth order reaction反应速率与物质浓度无关的反应称为反应速率与物质浓度无关的反应称为零级反应零级反应微分式:微分式:积分式:积分式:(xA为组分为组分A的转化率)的转化率)第22页,共74页,编辑于2022年,星期日反应的动力学特征:反应的动力学特征:以以反反应应物物浓浓度度 对对时时间间t 作作图图是是一一条条直直线线,表表明速率与浓度无关,直线的斜率的负值即为明速率与浓度无关,直线的斜率的负值即为具有浓度具有浓度 时间时间1 1的量纲的量纲,例如例如(moldm-3s-1)半衰期与初始浓度成正比,与速率系数成反比半
13、衰期与初始浓度成正比,与速率系数成反比第23页,共74页,编辑于2022年,星期日 二、一级反应二、一级反应 First order reaction反应速率与反应物浓度的一次方成正比的反应反应速率与反应物浓度的一次方成正比的反应微分式:微分式:积分式:积分式:第24页,共74页,编辑于2022年,星期日组分组分A的转化率的转化率代入上式得积分式的另一种形式:代入上式得积分式的另一种形式:第25页,共74页,编辑于2022年,星期日具具有有时时间间 1 1的的量量纲纲,表表达达为为T T1 1。一一级级反反应应速速率系数的值与浓度单位无关。率系数的值与浓度单位无关。对对t t作图是一条直线,斜
14、率的负值即作图是一条直线,斜率的负值即反应的动力学特征:反应的动力学特征:半衰期与半衰期与 成反比,与成反比,与 无关。无关。第26页,共74页,编辑于2022年,星期日叔丁基溴在丙酮和水的混合溶剂(含水叔丁基溴在丙酮和水的混合溶剂(含水叔丁基溴在丙酮和水的混合溶剂(含水叔丁基溴在丙酮和水的混合溶剂(含水10101010)中水解生)中水解生)中水解生)中水解生成叔丁醇的动力学实验结果成叔丁醇的动力学实验结果成叔丁醇的动力学实验结果成叔丁醇的动力学实验结果第27页,共74页,编辑于2022年,星期日 三、二级反应三、二级反应 Second order reaction反应级数等于反应级数等于2的
15、反应。的反应。一般分为下列两种类型;一般分为下列两种类型;第28页,共74页,编辑于2022年,星期日1、反应物只有一种的二级反应、反应物只有一种的二级反应微分式:微分式:积分式:积分式:第29页,共74页,编辑于2022年,星期日具具 有有 浓浓 度度 1 1时时 间间 1 1的的 量量 纲纲,例例 如如molmol-1 1dmdm3 3s s-1-1半衰期与半衰期与 和和 的乘积成反比。的乘积成反比。反应的动力学特征:反应的动力学特征:对对 t t 作图是一条直线,斜率即作图是一条直线,斜率即 。第30页,共74页,编辑于2022年,星期日2、反应物为两种的二级反应、反应物为两种的二级反应
16、微分式:微分式:积分式分下列几种情况:积分式分下列几种情况:1)a=b,cA0=cB0 2)ab,但但但但a/b=cA0/cB03)a=b,cA0 cB0 4)cB0 cA0第31页,共74页,编辑于2022年,星期日2)ab,a/b=cA0/cB0 1)a=b,cA0=cB0 任一时刻都有:任一时刻都有:cA=cB任一时刻都有:任一时刻都有:a/b=cA/cB 第32页,共74页,编辑于2022年,星期日3)a=b,cA0 cB0任一时刻都有:任一时刻都有:cA cB 设设cA=cA0 cx,cB=cB0 cx第33页,共74页,编辑于2022年,星期日具有浓度具有浓度 1 1时间时间 1
17、1的量纲。的量纲。只能分别测定只能分别测定A A或或B B计算的半衰期,无整个反应的计算的半衰期,无整个反应的半衰期半衰期反应的动力学特征:反应的动力学特征:直线关系:直线关系:第34页,共74页,编辑于2022年,星期日4)准一级反应()准一级反应(cB0 cA0)因为因为cB0 cA0,所以所以所以所以cB=cB0第35页,共74页,编辑于2022年,星期日 四、四、n n级反应级反应包括下列两种情况:包括下列两种情况:速率方程的微分通式:速率方程的微分通式:第36页,共74页,编辑于2022年,星期日n=1时时,积分得,积分得一级反应积分式一级反应积分式n1时时,积分,积分第37页,共7
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