五年制本科《基础化学》课程第四章 化学反应速率

第四章第四章 化学反应速率化学反应速率 第一节 化学反应速率及其表示方法第二节 化学反应速率理论简介第三节第三节 浓度对反应速率的影响浓度对反应速率的影响第四节第四节 温度对反应速率的影响温度对反应速率的影响第五节第五节 催化剂对速率的影响催化剂对速率的影响Chemical reaction rateChemical reaction rate 变化能否发生变化的方向变化的结果化学热力学的研究局限性如何才能发生如何才能发生速率速率进行细节进行细节本质本质化学热力学：只预测变化的化学热力学：只预测变化的可能性，可能性，不说明变不说明变化的化的现实性现实性化学动力学化学动力学化学热力学的研究局限性 第一节化学反应速率及其表示方法第一节化学反应速率及其表示方法一、转化速率一、转化速率二、反应速率二、反应速率三、消耗速率和生成速率三、消耗速率和生成速率Chemical reaction rate&its Chemical reaction rate&its notationnotation 一、转化速率一、转化速率转化速率定义为：转化速率定义为：转化速率定义为：转化速率定义为：Conversion rate of chemical reaction Conversion rate of chemical reaction 根据反应进度的定义有：根据反应进度的定义有：根据反应进度的定义有：根据反应进度的定义有：转化速率与转化速率与转化速率与转化速率与 B B 的选择无关，但与化学反应的选择无关，但与化学反应的选择无关，但与化学反应的选择无关，但与化学反应方程式的写法有关。方程式的写法有关。方程式的写法有关。方程式的写法有关。二、反应速率二、反应速率二、反应速率二、反应速率 对于等容反应，通常用单位体积的转化速率描述对于等容反应，通常用单位体积的转化速率描述对于等容反应，通常用单位体积的转化速率描述对于等容反应，通常用单位体积的转化速率描述化学反应的快慢，并称之为反应速率。化学反应的快慢，并称之为反应速率。化学反应的快慢，并称之为反应速率。化学反应的快慢，并称之为反应速率。Reaction rate of chemical reaction Reaction rate of chemical reaction 对于化学反应：对于化学反应：对于化学反应：对于化学反应：a aA Ab bB By yY Yz zZ Z，反应速率可表示为，反应速率可表示为，反应速率可表示为，反应速率可表示为对于气相反应，常用气体的分压力代替浓度：对于气相反应，常用气体的分压力代替浓度：对于气相反应，常用气体的分压力代替浓度：对于气相反应，常用气体的分压力代替浓度：三、消耗速率和生成速率三、消耗速率和生成速率 消耗速率消耗速率定义为反应物定义为反应物定义为反应物定义为反应物 A 的浓度随时间的变化率的浓度随时间的变化率的浓度随时间的变化率的浓度随时间的变化率 生成速率生成速率定义为产物定义为产物定义为产物定义为产物 Z 的浓度随时间的变化率的浓度随时间的变化率的浓度随时间的变化率的浓度随时间的变化率 反应速率、消耗速率与生成速率的关系为反应速率、消耗速率与生成速率的关系为反应速率、消耗速率与生成速率的关系为反应速率、消耗速率与生成速率的关系为：Consumption rate&Generation rateConsumption rate&Generation rate of chemical reaction of chemical reaction 如：消耗速率消耗速率反应速率反应速率生成速率生成速率三、消耗速率和生成速率三、消耗速率和生成速率 第二节第二节 化学反应速率理论化学反应速率理论一、碰撞理论一、碰撞理论二、过渡状态理论二、过渡状态理论Theories about chemical reaction rate先决条件先决条件：反应物分子间：反应物分子间相互碰撞相互碰撞；且反应物分子；且反应物分子碰撞频率越高，反应速率越大；碰撞频率越高，反应速率越大；有效碰撞有效碰撞：能发生反应的碰撞；只有活化分子才能：能发生反应的碰撞；只有活化分子才能发生有效碰撞；发生有效碰撞；活化分子活化分子：能量很高，能发生有效碰撞的分子：能量很高，能发生有效碰撞的分子;活化能活化能 Ea：活化分子具有的平均能量与反应物分子活化分子具有的平均能量与反应物分子的平均能量之差称为反应的活化能的平均能量之差称为反应的活化能。一、碰撞理论一、碰撞理论Collision theoryCollision theory重要概念 在在一一定定温温度度下下，反反应应的的活活化化能能越越大大，活活化化分分子子的的分分子子分分数数越越小小，活活化化分分子子越越少少，有有效效碰碰撞撞次次数数就就越越少少，因因此此化化学学反反应应速速率率越越慢慢；反反应应的的活活化化能能越越小小，活活化化分分子子的的分分子子分分数数越越大大，活活化化分分子子越越多多，有有效效碰碰撞撞次次数数就就越多，化学反应速率越快。越多，化学反应速率越快。除除除除了了了了要要要要考考考考虑虑虑虑反反反反应应应应物物物物分分分分子子子子间间间间的的的的碰碰碰碰撞撞撞撞频频频频率率率率和和和和反反反反应应应应物物物物的的的的活活活活化化化化能能能能外外外外，还还还还要要要要考考考考虑虑虑虑碰碰碰碰撞撞撞撞时时时时分分分分子子子子的的的的空空间间取取向向。活活活活化化化化分分分分子子子子要要要要发发发发生生生生有有有有效效效效碰碰碰碰撞撞撞撞，它它它它们们们们彼彼彼彼此此此此间的间的间的间的取向必须适当取向必须适当取向必须适当取向必须适当。分子的分子的 “有效有效”碰撞与碰撞与 “无效无效”碰撞碰撞二、过渡状态理论二、过渡状态理论 过过过过渡渡渡渡状状状状态态态态理理理理论论论论认认认认为为为为:化化化化学学学学反反反反应应应应并并并并不不不不是是是是通通通通过过过过反反反反应应应应物物物物分分分分子子子子的的的的简简简简单单单单碰碰碰碰撞撞撞撞完完完完成成成成的的的的，而而而而是是是是反反反反应应应应物物物物分分分分子子子子要要要要经经经经过过过过一一一一个个个个中中中中间间间间过过过过渡渡渡渡状状状状态态态态，形形形形成成成成活活活活化化化化配配配配合合合合物物物物反反反反应应应应物物物物与与与与活活活活化化化化配配配配合合合合物物物物之之之之间间间间很很很很快快快快达达达达到到到到化化化化学学学学平平平平衡衡衡衡，化化学学反反应应的的反反应应速速率由活化配合物的分解速率决定率由活化配合物的分解速率决定。Transition state theoryTransition state theory反应过程可表示为：反应过程可表示为：反应过程可表示为：反应过程可表示为：ABC A B C AB C 在过渡状态理论中，活化能为活化配合物的平均在过渡状态理论中，活化能为活化配合物的平均在过渡状态理论中，活化能为活化配合物的平均在过渡状态理论中，活化能为活化配合物的平均能量与反应物分子的平均能量的差值。能量与反应物分子的平均能量的差值。能量与反应物分子的平均能量的差值。能量与反应物分子的平均能量的差值。系统的摩尔热力学能变系统的摩尔热力学能变系统的摩尔热力学能变系统的摩尔热力学能变rUm等于产物的平均能量等于产物的平均能量等于产物的平均能量等于产物的平均能量(E2)与反应物的平均能量与反应物的平均能量与反应物的平均能量与反应物的平均能量(E1)的差值的差值的差值的差值：rUm E2 E1近似认为近似认为近似认为近似认为rUm rHm，由上式可得由上式可得由上式可得由上式可得：rHmrUmE2E1(EE1)(EE2)O反应进程反应进程反应进程反应进程能量能量能量能量A+B-CA+B-CA+B-CA+B-CA-B+CA-B+CA-B+CA-B+CE E2 2E E1 1AAAAB B B B CCCCE EE Ea arHm第三节第三节 浓度对化学反应速率的影响浓度对化学反应速率的影响一、基元反应和复合反应一、基元反应和复合反应二、质量作用定律二、质量作用定律三、反应级数和反应分子数三、反应级数和反应分子数四、简单级数反应四、简单级数反应Concentrations of reactants effect chemical reaction rate一、基元反应和复合反应一、基元反应和复合反应 反反应应物物的的微微粒粒(分分子子、原原子子、离离子子或或自自由由基基)间间直接碰撞而一步实现的化学反应直接碰撞而一步实现的化学反应，称为，称为，称为，称为基元反应基元反应。重要概念重要概念Elementary reactionElementary reaction&complex reaction complex reaction 大大大大多多多多数数数数化化化化学学学学反反反反应应应应要要要要经经经经过过过过若若若若干干干干个个个个步步步步骤骤骤骤，即即即即经经经经过过过过若若若若干个基元反应才能完成，这类反应称为干个基元反应才能完成，这类反应称为干个基元反应才能完成，这类反应称为干个基元反应才能完成，这类反应称为复合反应复合反应。在在在在复复复复合合合合反反反反应应应应中中中中，各各各各步步步步反反反反应应应应的的的的反反反反应应应应速速速速率率率率通通通通常常常常并并并并不不不不相相相相同同同同，其其其其中中中中速速速速率率率率最最最最慢慢慢慢的的的的步步步步骤骤骤骤决决决决定定定定了了了了总总总总反反反反应应应应的的的的反反反反应应应应速速速速率率率率。在在在在复复复复合合合合反反反反应应应应中中中中，速速速速率率率率最最最最慢慢慢慢的的的的步步步步骤骤骤骤称称称称为为为为复复复复合合合合反反反反应应应应的的的的速速率率控制步骤控制步骤。二、质量作用定律二、质量作用定律 当当当当其其其其它它它它条条条条件件件件一一一一定定定定时时时时，反反反反应应应应物物物物浓浓浓浓度度度度越越越越大大大大，化化化化学学学学反反反反应应应应的的的的速速速速率率率率越越越越快快快快。对对对对于于于于有有有有气气气气体体体体参参参参加加加加的的的的化化化化学学学学反反反反应应应应，增增增增大大大大系系系系统统统统的的的的压压压压力力力力，就就就就意意意意味味味味着着着着增增增增加加加加气气气气体体体体反反反反应应应应物物物物的的的的浓浓浓浓度，反应速率也会随之增大。度，反应速率也会随之增大。度，反应速率也会随之增大。度，反应速率也会随之增大。Law of mass action Law of mass action 质质量量作作用用定定律律指指出出:在在一一定定温温度度下下，基基元元反反应应的的反反应应速速率率与与反反应应物物浓浓度度以以其其化化学学计计量量数数的的绝绝对对值值为为幂幂指指数数的的乘乘积积成成正正比。比。表明反应物浓度与反应速率之间定量关系的表明反应物浓度与反应速率之间定量关系的表明反应物浓度与反应速率之间定量关系的表明反应物浓度与反应速率之间定量关系的数学表达式称为数学表达式称为数学表达式称为数学表达式称为速率方程速率方程。对于基元反应对于基元反应对于基元反应对于基元反应：aA(aq)bB(aq)yY(aq)zZ(aq)根据质量作用定律，其速率方程为根据质量作用定律，其速率方程为根据质量作用定律，其速率方程为根据质量作用定律，其速率方程为：重要公式只适用于基元反应只适用于基元反应 复合反应的速率方程，可根据组成复合反应复合反应的速率方程，可根据组成复合反应复合反应的速率方程，可根据组成复合反应复合反应的速率方程，可根据组成复合反应 的基元反应的速率方程导出。例如，复合反应的基元反应的速率方程导出。例如，复合反应的基元反应的速率方程导出。例如，复合反应的基元反应的速率方程导出。例如，复合反应:C2H4Br23KI C2H42KBrKI3 分成如下三步进行：分成如下三步进行：分成如下三步进行：分成如下三步进行：C2H4Br2KI C2H