章化学动力学基础一.pptx
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1、2023/4/2111.1 化学动力学化学动力学的任务和目的的任务和目的 研究化学变化的方向、能达到的最大限度以及外界条件对平衡的影响。化学热力学只能预测反应的可能性,但无法预料反应能否发生?反应的速率如何?反应的机理如何?例如:热力学只能判断这两个反应都能发生,但如何使它发生,热力学无法回答。化学热力学的研究对象和局限性第1页/共128页 化学动力学研究化学反应的速率和反应的机理以及温度、压力、催化剂、溶剂和光照等外界因素对反应速率的影响,把热力学的反应可能性变为现实性化学动力学的研究对象例如:动力学认为:需一定的T,p和催化剂点火,加温或催化剂11.1 化学动力学的任务和目的第2页/共12
2、8页19世纪后半叶,宏观反应动力学阶段。主要成就是质量作用定律和Arrhenius公式的确立,提出了活化能的概念。化学动力学发展简史20世纪50年代,微观反应动力学阶段。对反应速率从理论上进行了探讨,提出了碰撞理论和过渡态理论,建立了势能面。发现了链反应,从总包反应向基元反应过渡。由于分子束和激光技术的发展,开创了分子反应动态学。20世纪前叶,宏观反应动力学向微观反应动力学过渡阶段第3页/共128页近百年来,由于实验方法和检测手段的日新月异,如磁共振技术、闪光光解技术等,使化学动力学发展极快1950年左右,测时间分辨率小于动力学理论尚不够完善,还需继续努力化学动力学发展简史1970年左右,测时
3、间分辨率到了1980年左右,测时间分辨率到了2000年左右,测时间分辨率到了第4页/共128页11.2 化学反应速率的表示法化学反应速率的表示法速度 velocity 是矢量,有方向性。速率 rate 是标量,无方向性,都是正值。例如:第5页/共128页瞬时速率瞬时速率浓度浓度c c时间时间反应物R反应物和产物的浓度随时间的变化反应物和产物的浓度随时间的变化产物P第6页/共128页 在浓度随时间变化的图上,在时间t 时,作交点的切线,就得到 t 时刻的瞬时速率。显然,反应刚开始,速率大,然后不断减小,体现了反应速率变化的实际情况。第7页/共128页反应进度反应进度(extent of reac
4、tion)设反应为:第8页/共128页转化速率(转化速率(rate of conversion)对某化学反应的计量方程为:转化速率的定义为:已知第9页/共128页反应速率(反应速率(rate of reaction)通常的反应速率都是指定容反应速率,它的定义为:当反应为:第10页/共128页对任何反应:对于气相反应,由于压力容易测定,所以速率也可以表示为:第11页/共128页的单位是对于理想气体对于多相催化反应,反应速率可定义为若催化剂用量Q改用质量表示,则称为表面反应速率,单位为若催化剂用量Q改用堆体积表示若催化剂用量Q改用表面积表示第12页/共128页绘制动力学曲线绘制动力学曲线 动力学曲
5、线就是反应中各物质浓度随时间的变化曲线。有了动力学曲线才能在 t 时刻作切线,求出瞬时速率。测定不同时刻各物质浓度的方法有:(1)化学方法 不同时刻取出一定量反应物,设法用骤冷、冲稀、加阻化剂、除去催化剂等方法使反应立即停止,然后进行化学分析。第13页/共128页(2)物理方法 用各种方法测定与浓度有关的物理性质(旋光、折射率、电导率、电动势、界电常数、黏度和进行比色等),或用现代谱仪(IR,UV-VIS,ESR,NMR,ESCA等)监测与浓度有定量关系的物理量的变化,从而求得浓度变化。物理方法有可能做原位反应。测定反应的初速率,这时干扰少,对研究反应动力学很有用 对于一些快速反应,要用特殊的
6、测试方法第14页/共128页 11.3 化学反应的速率方程化学反应的速率方程 速率方程又称动力学方程。它表明了反应速率与浓度等参数之间的关系或浓度等参数与时间的关系。速率方程可表示为微分式或积分式。例如:何谓速率方程?速率方程必须由实验来确定第15页/共128页基元反应和非基元反应基元反应和非基元反应 化学反应的计量式,只反映了参与反应的物质之间量的关系,如:这三个化学反应的计量式相似,但反应历程却大不相同。它们只反映了反应的总结果,称为总包反应第16页/共128页基元反应和非基元反应基元反应和非基元反应的反应历程为 式中M是指反应器的器壁,或是不参与反应只起传递能量作用的第三物种。第17页/
7、共128页基元反应和非基元反应基元反应和非基元反应的反应历程为第18页/共128页基元反应和非基元反应基元反应和非基元反应的反应历程为第19页/共128页基元反应和非基元反应基元反应和非基元反应 基元反应简称元反应。如果一个化学反应,反应物分子在碰撞中相互作用,在一次化学行为中就能转化为生成物分子,这种反应称为基元反应。例如上述反应历程中,(4)-(14)的反应都是基元反应。如果一个化学计量式代表了若干个基元反应的总结果,那这种反应称为总包反应或总反应,是非基元反应。第20页/共128页反应机理反应机理(reaction mechanism)反应机理又称为反应历程。在总反应中,连续或同时发生的
8、所有基元反应称为反应机理,在有些情况下,反应机理还要给出所经历的每一步的立体化学结构图。同一反应在不同的条件下,可有不同的反应机理。了解反应机理可以掌握反应的内在规律,从而更好的驾驭反应。第21页/共128页质量作用定律(质量作用定律(law of mass action)基元反应的速率与反应物浓度(含有相应的指数)的乘积成正比。浓度的指数就是基元反应方程中各反应物的计量系数。这就是质量作用定律,它只适用于基元反应。例如:基元反应 反应速率 r 第22页/共128页反应的级数、反应分子数和反应的速率常数反应的级数、反应分子数和反应的速率常数 速率方程中,各反应物浓度项上的指数称为该反应物的级数
9、;所有浓度项指数的代数和称为该反应的总级数,通常用n 表示。反应级数可以是正数、负数、整数、分数或零,有的反应无法用简单的数字来表示级数。反应级数是由实验测定的。n 的大小表明浓度对反应速率影响的大小。第23页/共128页例如:第24页/共128页 在基元反应中,实际参加反应的分子数目称为反应分子数。反应分子数可区分为单分子反应、双分子反应和三分子反应,四分子反应目前尚未发现基元反应单分子反应双分子反应三分子反应反应分子数 反应分子数 反应分子数属于微观范畴,通常与反应的级数一致,但有时单分子反应也可能表现为二级反应第25页/共128页 反应速率常数 速率方程中的比例系数 k 称为反应的速率常
10、数,又称为速率系数。它的物理意义是:当反应物的浓度均为单位浓度时,k 相当于反应速率k 的单位随着反应级数的不同而不同。它的数值与反应物的浓度无关。在催化剂等其他条件确定时,k 的数值仅是温度的函数。k 的数值直接反映了反应速率的快慢,是确定反应历程、设计合理的反应器等的重要依据。第26页/共128页11.4 具有简单级数的反应具有简单级数的反应1.一级反应2.二级反应3.三级反应4.零级反应和准级反应5.反应级数的测定法第27页/共128页1.一级反应一级反应(first order reaction)反应速率只与反应物浓度的一次方成正比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、
11、分子重排、五氧化二氮的分解等。第28页/共128页或(1).设有某一级反应:.速率方程的速率方程的速率方程的速率方程的微分微分微分微分式为:式为:式为:式为:第29页/共128页.对微分式进行对微分式进行对微分式进行对微分式进行不定积分不定积分不定积分不定积分呈线性关系.对微分式进行对微分式进行对微分式进行对微分式进行定积分定积分定积分定积分第30页/共128页将上式改写为说明一级反应需无限长的时间才能完成一级反应的半衰期与反应物起始浓度无关,是一个常数。一级反应的半衰期与反应物起始浓度无关,是一个常数。一级反应的半衰期与反应物起始浓度无关,是一个常数。一级反应的半衰期与反应物起始浓度无关,是
12、一个常数。第31页/共128页*一级反应的特点一级反应的特点1.速率常数 k 的单位为时间的负一次方,时间 t 可以是秒(s),分(min),小时(h),天(d)和年(a)等。2.半衰期 是一个与反应物起始浓度无关的常数3.与 时间 t 呈线性关系。(1)所有分数衰期都是与起始物浓度无关的常数。引伸的特点(2)(3)反应间隔 t 相同,有定值。第32页/共128页 某金属钚的同位素进行放射,14 d 后,同位素活性下降了6.85%。试求该同位素的:解:例 1(1)蜕变常数,(2)半衰期,(3)分解掉90%所需时间第33页/共128页2.二级反应二级反应(second order reactio
13、n)反应速率方程中,浓度项的指数和等于2 的反应称为二级反应。例如,有基元反应:常见的二级反应有乙烯、丙烯的二聚作用,乙酸乙酯的皂化,碘化氢和甲醛的热分解反应等。第34页/共128页(2).对微分式进行不定积分呈线性关系第35页/共128页(3).对微分式进行定积分:第36页/共128页*二级反应二级反应(a=b)的特点的特点3.与 t 成线性关系。1.速率常数 k 的单位为浓度-1 时间-1 2.半衰期与起始物浓度成反比引伸的特点:对 的二级反应,=1:3:7第37页/共128页不定积分式:定积分式:没有统一的半衰期表示式第38页/共128页进行定积分,得:第39页/共128页 二级反应中,
14、速率常数用浓度表示或用压力表示,两者的数值不等(一级反应是相等的)设为理想气体代入速率方程,得第40页/共128页3.三级反应三级反应(third order reaction)反应速率方程中,浓度项的指数和等于3 的反应称为三级反应。三级反应数量较少,可能的基元反应的类型有:第41页/共128页.不定积分式:呈线性关系第42页/共128页.定积分式:第43页/共128页三级反应三级反应(a=b=c)的特点的特点1.速率常数 k 的单位为浓度-2时间-1引伸的特点有:t1/2:t3/4:t7/8=1:5:212.半衰期3.与t 呈线性关系第44页/共128页4.零级反应和准级反应零级反应和准级
15、反应 反应速率方程中,反应物浓度项不出现,即反应速率与反应物浓度无关,这种反应称为零级反应。常见的零级反应有表面催化反应和酶催化反应,这时反应物总是过量的,反应速率决定于固体催化剂的有效表面活性位或酶的浓度。第45页/共128页零级反应的微分和积分式零级反应的微分和积分式第46页/共128页零级反应的特点零级反应的特点1.速率常数 k 的单位为浓度时间-13.x 与 t 呈线性关系2.半衰期与反应物起始浓度成正比:第47页/共128页准级反应准级反应(pseudo order reaction)在速率方程中,若某一物质的浓度远远大于其他反应物的浓度,或是出现在速率方程中的催化剂浓度项,在反应过
16、程中可以认为没有变化,可并入速率常数项,这时反应总级数可相应下降,下降后的级数称为准级反应。例如:第48页/共128页 仅由一种反应物A生成产物的反应,反应速率与A浓度的n次方成正比,称为 n 级反应。从 n 级反应可以导出微分式、积分式和半衰期表示式等一般形式。这里 n 不等于1。nA P r=kAn5.n 级反应级反应(nth order reaction)第49页/共128页 nA Pt=0 a 0t=t a-x x(2)速率的定积分式:(n1)(1)速率的微分式:第50页/共128页(3)半衰期的一般式:第51页/共128页 *n 级反应的特点级反应的特点1.速率常数 k 的单位为浓度
17、1-n时间-13.半衰期的表示式为:2.与t呈线性关系 当n=0,2,3 时,可以获得对应的反应级数的积分式。但n1,因一级反应有其自身的特点,当n=1时,有的公式在数学上不成立。第52页/共128页6.反应级数的测定反应级数的测定1.积分法(1)作图法:作cAt图,若直线,则 n=0,且slope=-k作lncA t图,若直线,则 n=1,且slope=-k依次类推第53页/共128页(2)尝试法:若k近似为常数,则 n0若k近似为常数,则 n1依次类推 作图法与尝试法实际上相同。试法具有盲目性第54页/共128页(3)半衰期法:即呈直线,且 slope=1-naa/4a/2a/8cAt找出
18、不同初始浓度时的半衰期。然后作直线。第55页/共128页2.微分法cA:a c1 c2 c3 c4 t:0 t1 t2 t3 t4 r:r0 r1 r2 r3 r4 cAtr0r1r2lgrlgcAslope=n第56页/共128页多个样品(初始浓度不同)测量cA:a1 c1 c2 t:0 t1 t2 测量cA:a2 c1 c2 t:0 t1 t2 其他样品类同 ctr0,3微分法处理数据a1a2a3r0,2r0,1求得各样品的初始速率lgr0lgaslope=n第57页/共128页 动力学实验中的配方技巧:为便于处理数据,有许多配方技巧。例如“加倍法”,即 a22a1,a3=2a2等。当作出
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