高二化学化学动力学

《高二化学化学动力学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高二化学化学动力学（25页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第六章化学动力学 6-1 化学动力学的任务和目的 一、研究化学反应时所涉及的两个基本问题 1、反应的方向和限度化学热力学 至于反应的速度，过程的机理，从热力学无法得知。 例如: (1)PlOHPgOPgH,21,( 222 1 298 , 2.237molKJGm r 从G的数值看，反应的趋势很大，但在常温常压下让此反应发生，几乎 看不到水的生成，只有温度上升到1073时，反应才以爆炸的形式进行。 但反应：(2) OHNaClNaOHHCl 2 1 298 91.79molKJG 反应速度确非常之快，瞬时便可完成。 热力学只解决可能性问题。而对于实际问题的解决，只靠热力学是远远不够 的。例如对

2、 1 2 ? 热力学则无法回答。 2、化学反应的速率化学动力学 亦就是把热力学预言的可能性变为现实。所以化学动力学亦占 有相当重要的地位。实际上，在研究如何实现并控制化学反应方面，化学热力学 及化学动力学是相辅相成的，不可缺少的两个基础理论学科。 对一个未知的化学反应， 经热力学计算认为是可能的， 但具体进行时反应速 率很小，工业生产无法实现，则可通过动力学研究，降低其反应阻力，加快反应 速度，缩短达到或接近平衡的时间。若热力学研究是不可能的反应，则没有必要 浪费人力物力去研究如何加快反应速度的问题。因为没有推动力的过程，阻力再 小也是不可能的。 二、化学动力学的任务和目的 1、化学动力学的任

3、务： 研究浓度、温度、 催化剂、光声介质对反应速度(率) 的影响及探讨反应机理(亦 称历程，即反应所经过的步骤)。 2. 化学动力学的目的 ： 控制化学反应的速率按人们所希望的速率进行。例如：一些化 学反应，我们希望它的速率越快越好，象化工产品的生产；但也有一些化学反应， 我们则希望它的速度越慢越好，象钢铁生锈、木材腐烂、食物变质、塑料老化、 某些反应中的副反应等。 从历史上说，化学动力学的发展较热力学为迟，没有热力学那样较完整的系 统。目前化学热力学的理论能较精确的告诉人们反应的趋势和限度，而化学动力 学的理论却只能粗略地告诉人们反应的速度率，还缺乏指导实践的较为系统的理 论。这种现状促使对

4、这一领域的研究十分活跃，特别是近使几年来，物质结构理 论的发展，新技术的应用，如激光技术和电子计算机的应用，大大地推动了对动 力学的研究。 6-2 反应速率的表示方法 从物理学的概念来看， “速度”是未知量，有方向性，而速率 是标量，所以通常用速率表示化学反应的进展程度。 反应速率 ：用单位时间内，反应物浓度的降低或生成物浓度的增加来表示。 例如，R P 时间 t1 R1 P1 时间 t2R2 P2 则平均速率为 ; tt RR r 12 12 R ; 12 12 P tt PP r 注：速率恒取正值。 瞬时速率： R r dt dC dt Rd R ; P r dt dC dt Pd P 如

5、， 则 PR rr。 所以表示化学反应速率时，一定要注明表示速率的组分是什么。 : : dt Pd dt Rd hHgGfFeE对 hgfe dt Hd dt Gd dt Fd dt Ed : : : : 例如，对反应HIIH2 22 dt HId dt Id dt Hd 2 1 : 22 另一个定义： dt Bd v r B 1 (6-1) 其中， B：反应式中物质的系数，反应物取负值，生成物取正值。 注：对气相反应，可以以分压代替浓度（即以代替）。 速率的单位：浓度时间 13 smmol或 11113 minydhdmmol 对气相反应，也可用 as 6-3 化学反应的速率方程式和反应级数

6、 一、几个基本概念 1、反应机理、基本反应步骤、简单反应和复杂反应 （）反应机理（反应历程） ：反应物分子变为产物所经历的真实途径。例如： 丁二烯与丁烯合成已烯的反应，反应方程式可写成： 222 2222 CHCHCHCHCHCHC6H10 2222 CHCHCHCHCHCHC6H10 2 1 2 1 2 1 2222 CHCHCHCHCHCHC6H10 从热力学意义上说，以上三种写法都正确。但从动力学意义上讲，只有 式才代表了该合成反应的机理，式不真正代表该合成反应的机理，式无动 力学意义。 （2）基元反应（基元步骤） 一个化学反应可以是一步直接完成的，也可能是经过一系列步骤完成的，反应 过

7、程中的每一步骤都反映了反应物分子之间一次直接作用的结果，把反应过程 中的每一中间步骤，称为一个基元步骤（或基元反应）。 定义：由反应物微粒（分子、离子、原子或自由基等）一步直接实现的变化。 （自由基：具有一未配对电子的自由原子） 例如：氢气和氯气的反应：HClClH2 22 ，其机理为： MClMCl ClHClClH HHClHCl MClMCl 2 2 2 2 2 2 （M：器壁或杂质） 每一步反应都称作一个基元反应。 （3） 简单反应 ：由一个基元反应组成的反应。 例如：OHHCCOOCHOHHCOOCCH 523523 2222 CHCHCHCHCHCHC6H10 （4）复杂反应： 由

8、两个或两个以上的基元反应组成的反应。 例如：HClClH2 22 2、 反应分子数：每一基元反应中所需反应物微粒的数目。 例如：H2CC H 2 2C2 H4单分子反应 H2CC H 2 II2 2 单分子反应 ClHClClH 2 双分子反应 HIIH22 2 三分子反应 至于四及四分子以上的反应，至今还没有发现。从理论上分析，四分子反应 几乎也是不可能的。 二、速率方程式（或公式） 、速率常数和反应极数 1、速率方程式和速率常数 （1）速率方程式 ：反应速率和浓度间的函数关系式；也可以说成表 示反应速率与物质浓度之间关系的方程式。可表示为：cfr 例如：乙酸乙酯的皂化反应： OHHCCOO

9、CHOHHCOOCCH523523 实验确定： OH CkCr 乙酸乙酯 。 上式称为该反应的速率方程式，也称为动力学方程。 注：速率方程式只能通过实验确定，不能由化学计量方程式预言。 （2）速率常数（k） ：浓度为时的反应速率，又称比速率。 关于速率常数的几点说明： 其值大小与反应物浓度的大小无关，而取决于温度、反应物的本性和 溶剂的影响等。 k是一个有单位的量，与浓度和时间的单位有关。如： b B a AC kCr， b B a AC C r k= 1 1 1 时间浓度 浓度 时间浓度ba ba 其值与浓度和时间的单位有关。 k的数值与反应速率的表达形式有关。如： 反应gGhHbBaA的速

10、度公式为： dt dCA = b B a AA CCk dt dCB = b B a ABCCk 两式相比得： ba dtdC dtdC kk B A BA: 1:bakkk BA 2、反应级数 例如： gGhHbBaA 若实验测定： BAC kCr 式中 A C 的指数称为该反应对的级数为； B C 的指数称为该反应对的级数 为。 令 n ，则 n称作该反应的总级数。 反应级数： 速度方程式中个物质浓度项的指数之和。 例如：II2 2 2 I kCr 一级反应 HIIH2 22 22 IH CkCr二级反应 22 22NOONO 2 2 ONOC kCr 三级反应 三级以上的反应至今还没有发

11、现。反应级数的值可以是零，简单正、负整数 和分数。 例如, 乙醛的分解反应： CH3CHO CH4+CO 23 3CHO CH kCr为 1.5 级反应。 NH3在钨丝上的分解反应： 2NH3 N2 +3H2 kPkr NH 0 3 ，为 0 级反应。 NH3在铁催化剂上的分解反应：2NH3 N2 +3H2 23 2 3 H NH P P kr，为 0.5 级反应。 几点说明： 1、反应级数是由实验结果而确定的，决不能从计量方程式而简 单推得； 2.当反应级数是简单的正整数时，称之为简单反应级数； 3.并不是所有的反应都具有确切的级数。如反应：HBrBrH2 22 实验确定： 2 2 2 21

12、 1 BrHBr Br H CCk CkC r 可见，级数的概念对此反应不能适用。 三、 简单反应（或基元反应）的质量作用定律 从经验中总结出的一条规律，其内容为：简单反应（或基元反应）的反 应速率，与反应物的浓度以反应式中的计量系数为指数的幂的乘积成正比。 例如若CA2为简单反应，则 2 A kCr 若hHgGbBaA为简单反应，则 b B a AC kCr 几点说明 ： 对复杂反应，质量作用定律不能直接应用。 例如反应 H 2+Br22HBr 22 BrHC kCr 该反应由五个基元反应组成： 2 2 2 5 43 21 2 1 2 22 22 1 5 43 221 BrHBr Br H

13、HBr k kk kk CCk CkC dt dC BrBrBr BrHHBrHBrHBrBrH HHBrHBrBrBr 质量作用定律对复杂反应的每一步基元反应可直接使用: 2 5544 332211 222 BrHHBr HBrHBrBr CkrCCkr CCkrCCkrCkr 当发现某反应的速率公式按质量作用定律导出与实验测出者一致时，该反应可 能是而并非必然是简单反应。例如：H 2+I22HI 速率公式为： 22 IH HI CkC dt dC 但其并不是简单反应 （该反应曾长期被认为是简单反应，但一步完成，对称禁阻）。 其反应机理为： (1) I 2 2I （快） (2) H 2+2I

14、2HI （慢） 性质相近者的反应机理并非相同（即速率公式并非相同）。 例如：HClClH2 22 22 21 HClHCl CkCdtdC HBrBrH2 22 222 1 BrHBrBrHHBr CCkCkCdtdC HIIH2 22 22 IHHI CkCdtdC 四、反应级数与反应分子数的区别 反应分子数 微观概念 反应级数 宏观概念 概念所 属范围 定义不 同 反 应 中 的 允许值 对指定反 应是否有 固定值 是否肯 定存在 反 应 级 数 宏简单 观反应 化 学复杂 反应反应 速 率 方 程 式 中 浓 度 的 方次 、 简单正 负 整 数 和 分数 依条件的 不同而变 速率方程式

15、无 BAC kCr 形式的级数无 意义 反 应 分 子 数 微基元 观反应 化 学简单 反应反应 参 加 反 应 的 反 应 物 微 粒数目 只能是 一、二、 三 为固定值肯定存在 在某些情况下，二者可能一致。 例如： 2 II2 单分子反应，一级反应 22 22ONONO 双分子反应，二级反应 在许多情况下，二者不一致。 例如：gOONgON 24252 22复杂反应，一级反应 （有中间产物 2 NO 生成） 简单反应或基元反应常常二者一致，但并非完全一致。 例如蔗糖的水解（简单反应） ： 612661262112212 OHCOHCOHOHC H 该反应为双分子反应，一级反应（准一级反应）

16、 蔗糖 kCr （水的量大，可认为其浓度不变） 6-4 简单级数反应的速率方程的积分形式 反应物或产物浓度与反应时间t 之间的函数关系式：tfC 一、零级反应 反应速率与物质的浓度无关的反应称为零级反应。 速率公式为： 0 k dt dC r C ：反应物浓度 移项积分：dtkdC 0 Btkc 0 当 0t 时， 0 cc，代入上式得： 0 cB，则： tkcc 00 或：tkx 0 (6-2) 令 0 cxy，则： y:时间为 t 时，反应物反应掉的分数。 tkyc 00 (6-3) 当21y时， 21 tt 2 1 t 称为反应的半衰期，为反应物消耗一半所需的反应时间。 代入上式得： 0 0 2 1 2k c t 或 0 2 1 2k a t (6-4) 零级反应的特点： (1) 以 c 对 t 作图，可得一直线，斜率为 0 k。