无机化学化学反应速率课件

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1、2020/9/26,1,第 4 章,化 学 反 应 速 率,2,研究的目的：控制反应速率，使其按我们希 望的速率进行。,研究反应速率的意义,2020/9/26,3,1.化学反应速率的概念 化学反应速率是指在一定条件下，反应物转变为生成物的速率。所以具有“浓度时间-1”的量纲。浓度常用物质的量浓度（mol/L）表示。时间单位视反应中反应快慢用秒(s)、分(min)、小时（h）表示。,4.1 基 本 概 念,2020/9/26,4,化学反应速率（rate of a chemical reaction）是衡量化学反应过程进行的快慢，即反应系统中各物质的数量随时间的变化率。 应注意的是： 公式前要加“

2、”号，随时间量增加用“”,随时间量减小，用“”。 在同一化学反应中用不同的物质的浓度变化来表示反应速率时，其数值是不同的。在表示化学反应速率时，一定要注明是哪一种物质.,5,用浓度对时间作图，所得的曲线称作动力学曲线。可形象显示反应的快慢及与浓度的关系。 如：H2O2(aq) H2O(l)+ 1/2O2(g),6,2、平均速率和瞬时速率,在恒容条件下，通常是以单位时间内反应物浓度减少的量或生成物浓度增加的量来表示。 v反应速率 的量纲为浓度时间-1，如molL-1s-1。 平均速率 瞬时速率,7,反应物A 产物B,平 均 速 率,8,对一般的化学反应： a A + bB = cC + dD,整

3、个反应的平均速率：,整个反应的平均速率,9,【例】 N2 + 3H2 = 2NH3 初始 t1 1.0 3.0 0.0 molL-1 2秒后 t 2 0.8 2.4 0.4 molL-1,10,瞬 时 速 率,反应速率为一变量，需以微分形式表达。 将时间间隔无限缩小(t 0) ，平均速率的极限值即反应在时刻t的瞬时速率。,（A为反应物）,反应物A 产物B,11,瞬时速率与时间的关系,12,整个反应的瞬时速率,对一般的化学反应： a A + bB = cC + dD,2020/9/26,13,物质B的反应系数； 反应进度为 时反应物中物质B的物质的量（mol）; 反应进度为0时反应物中物质B的物

4、质的量（mol）。 反应进度随时间的变化率称为转化率，即转化速率，单位mols1：,2020/9/26,14,按IUPAC的推荐，用 作为反应速率的另一种表示方法，其定义是： 式中V为反应体系的体积， 的单位（molL-1）。按上述定义，反应速率的量值意义物质B无关。对附反应物来说（前面加“”），它是反应物的消耗速率；对生产物来说，它是生产物的生成速率。,2020/9/26,15,4.2 反应速率理论简介,1、碰撞理论 2、过渡态理论,16,有效碰撞理论,反应是通过反应物分子彼此碰撞而发生的，其中能发生反应的碰撞称为有效碰撞。,发生有效碰撞的分子称为活化分子。活化分子的百分数越大，有效碰撞数越

5、多，反应速率也越大。,1、碰撞理论,17,有效碰撞理论中的活化能,活化能：活化分子具有的平均能量与反应物分子平均能量之差， 称为该反应的活化能,符号Ea。 单位：kJmol-1 （本书将活化分子具有的最低能量称为临界能Ec） 相同条件下，Ea越大，活化分子百分数(f）越小，反应越慢。反之，Ea越小，f 越大，反应越快。 Ea的大小与反应本性(物质的分子结构、化学键)有关。Ea只能由实验来确定。,2020/9/26,18,活化能与反应速率的关系 反应速率的大小主要取决于有效碰撞的次数。 活化能是决定反应速率的内在因素。 一定温度下，反应的活化能越大，反应中活化分子百分数越小，单位时间内有效碰撞越

6、少，反应速率就越慢，反之，反应速率就越快。,19,发生有效碰撞的条件,反应物分子必须具有足够大的能量。 只有能量足够大的分子在碰撞时，才能以足够大的动能去克服上述的电性排斥力，而导致原有化学键的断裂和新化学键的形成。 反应物分子要以适当的空间取向而发生碰撞。 如： NO+O3= NO2+O2 NO和O3分子要发生定向碰撞，即O3中的O原子与NO中的N原子相碰才能发生反应。,20,NO(g) + O3 = NO2(g) +O2(g),21,有效碰撞理论总结,只有能量足够，方位合适的分子的碰撞才 是有效碰撞。,22,分子能量分布曲线,2020/9/26,23,碰撞理论要点 化学反应发生的首要条件是

7、反应物分子间必须相互碰撞。 只有活化分子间的碰撞才能发生化学反应。 只有当活化分子采取合适的取向进行碰撞时，化学反应才能发生。,24,碰撞理论的优、缺点,优点：直观、明了，易于接受;,缺点：模型过于简单。把分子简单地看成没有内部结构的刚性球体，要么碰撞发生反应，要么发生弹性碰撞。“活化分子”本身的物理图像模糊。,25,由反应物分子变为产物分子的化学反应并不完全是简单的几何碰撞，而是旧键的破坏与新键的生成的连续过程。 2. 当具有足够能量的分子以适当的空间取向靠近时，旧化学键逐步削弱以致断裂，新化学键逐步形成。这个过程中形成一个中间过渡状态的活化配合物。 3. 过渡状态的活化配合物是一种不稳定状

8、态。 可形成生成物，也可回到反应物。,2、过渡状态理论,26,如: A+ B-C ABC = A-B +C 反应物 活化配合物 产物,在活化配合物中，原有化学键被削弱但未完全断裂，新的化学键开始形成但尚未完全形成（用虚线表示）。,过渡态理论,27,Energy,Reaction coordinate,Reactants,Products,28,4.反应速率与下列三个因素有关: 活化配合物的浓度：浓度越大，反应速率越大。 活化配合物分解成产物的几率：几率越大，反应速率越大。 活化配合物分解成反应物的速率：速率越小，反应速率越大。,29,反应进程势能图,1.H = E正 E逆,2. 微观可逆性原理

9、,2020/9/26,30,活化能与反应热的关系,正反应的活化能减去逆反应的活化能等于该反应的焓变，即： H =E正-E逆 当E正E逆时， H 0 ，反应为吸热反应。,2020/9/26,31,过渡状态理论要点 反应物要经历一个中间过渡状态，先生成活化络合物然后进一步离解为产物： 反应物 过渡态产物 过渡状态理论也称活化络合物理论。所谓活化能是活化络合物的最低能量与反应物分子的平均能量之差。 反应中，只有那些势能达到或高于活化络合物最低能量的活化分子才能越过能垒变成产物。,32,缺点：活化配合物的结构无法确定，方法过于复杂，应用受到限制。,过渡态理论的优、缺点,优点：吸收了碰撞理论中合理的部分

10、，给活化能一个明确的模型；将微观结构与反应速率理论结合起来，这是比碰撞理论先进的一面。,2020/9/26,33,4.3 影响反应速率的因素,1、浓度对化学反应速率的影响 2、温度对化学反应速率的影响 3、催化剂化学反应速率的影响,2020/9/26,34,1、浓度化学反应速率的影响,反应速率随温度的变化而变化，在温度一定时，增加反应物的浓度，可增大反应速率。 注意： 增加反应物浓度并不改变反应活化分子的百分数； 反应速率与反应物浓度的定量关系，一般不能简单地从反应的计量方程式中获得，它与反应机理有关，反应速率与浓度的关系可以由速率方程表示，而速率方程则由实验来决定。对基元反应，反应速率与浓度

11、的关系，可以由质量作用定律来表示。,2020/9/26,35,基元反应、反应历程,反应物分子只经过一步反应就直接转变为生产物分子，称为基元反应。 将基元反应所表示的总反应所经历的具体途径称为反应历程（或反应机理）。 限制和决定整个反应的速率的基元反应称为定速步骤或速率控制步骤。,2020/9/26,36,基元反应和反应级数,质量作用定律（也称反应速率定律） 一定温度下：某基元反应 aA+bBcC+dD 上式称速率方程式，式中k为反应速率常数，它取决于反应物的性质及温度，与反应物浓度无关。, kca(A) cb(B),在一定温度下，基元反应的化学反应速率与反应物浓度以其计量数为指数的幂的连乘积。

12、,质量作用定律,2020/9/26,37,实验证明质量作用定律只适用于基元反应，因为基元反应直接代表了反应物分子间的相互作用。 实验还表明：绝大多数反应都不是基元反应，是几个连续步骤的复合反应。 质量作用定律可适用于其中每一步基元反应，但不适用于总反应，因为总反应代表的是以的总体计量关系，并不代表反应的真正历程。,2020/9/26,38,速率方程式书写注意,1.速率方程中指数与化学反应方程式中的反应系数一致。 2.非基元反应中反应速率由最慢的一个基元反应决定。 3.固体、纯液体、溶剂不计入速率方程。,2020/9/26,39,反应级数,当基元反应为aA+bBcC+dD时，在质量作用定律 kc

13、a(A)cb (B) 中，反应物浓度的指数（a、b）称为参加反应的各组分（A、B）的级数。基元反应的总级数（n）则是各反应物级数之和： n=a+b 当n=0为“零级反应”；当n=1为“一级反应” ，n=2为“二级反应”，其余类推。 n可以为整数、分数，也可以是负数。应该注意的是：反应级数是由实验确定的。,2020/9/26,40,（1）零级反应的特征 整个反应过程中反应速率为一常数，与反应物和反应经历的时间无关。 B(反应物)P(生产物) 反应物浓度随时间的变化关系为(对上式积分): B=B0+kt 式中：B0为反应物B的起始浓度。零级反应不多，常见的零级反应是在固体表面发生的多相催化反应。如

14、氨在金属钨（W）表面的分解反应。,2020/9/26,41,（2）一级反应的特征 反应速率与反应物浓度的一次方成正比。 B(反应物)P(生产物),对上式定积分后可得,即 lnc = -kt + lnc0,2020/9/26,42,2020/9/26,43,影 响,反应速率随温度的变化而变化，在温度一定时，增加反应物的浓度，可增大反应速率。 注意： 增加反应物浓度并不改变反应活化分子的百分数； 反应速率与反应物浓度的定量关系，一般不能简单地从反应的计量方程式中获得，它与反应机理有关，反应速率与浓度的关系可以由速率方程表示，而速率方程则由实验来决定。对基元反应，反应速率与浓度的关系，可以由质量作用

15、定律来表示。,2020/9/26,44,2、温度对化学反应速率的影响,温度对化学反应速率的影响很显著。一般，反应速率随温度升高而加快，而且温度每升高10K，反应速率增加到原来的24倍。 阿仑尼乌斯论证了温度与反应速率之间的定量关系： 或,2020/9/26,45,式中：A是与反应有关的特性常数，称为“指数前因子或频率因子”；Ea为活化能（J/mol）；对某给定的反应，Ea为定值，当温度变化不大时，Ea和A不随温度变化。 由上式可见： k与温度有关。温度越高，k越大，反应速率越快。 k与活化能有关。若已知某反应的活化能Ea及T1时k1的值，便可计算出该反应在T2时刻的k2：,2020/9/26,

16、46,反之，已知T1和T2时的k1和k2也可以计算出该反应的活化能。注意： 改变反应温度，改变了反应中活化分子的百分数，但并没有改变反应的活化能。 无论是吸热反应还是放热反应，升高反应温度，都会使反应速率加快，只不过是吸热反应速率加快的程度大于放热反应而已。,2020/9/26,47,3、催化剂反应速率的影响,（1）催化剂是一种能改变化学反应速率，但不改变化学平衡位置，反应前后自身的化学性质和质量都不发生变化的物质。能加快反应速率的称为正催化剂，能减慢反应速率的称为负催化剂。 催化剂能改变反应速率的原因是改变了化学反应途径，降低反应的活化能，提高了反应的活化分子百分数。,2020/9/26,48,多相催化（非均相催化）,反应物与催化剂不是同一相，催化剂自成一相。 多相催化反应是在催化剂表面（或相界面）上进行的（又称表面催化反应）。 因此，当催化剂、温度、反应物的量一定时，反应速率与反应物分散度、生成物的