化学反应速率(无机化学核心教程).ppt

化学反应速率化学反应速率 R Rate of chemical reactionate of chemical reaction 作业作业：PP55 1PP55 1，3 3，4 4，9 9，1313 CO(gCO(g) + ) + NO(gNO(g) = CO) = CO 2 2 (g) + 1/2 N(g) + 1/2 N 2 2 (g)(g) K K p p =1.9=1.9101060 60 500 500 (298K) (298K) 常温下，此反应基本上不能进行，为什么？常温下，此反应基本上不能进行，为什么？ CO(gCO(g) + ) + NO(gNO(g) ) COCO 2 2 (g) + 1/2 N(g) + 1/2 N 2 2 (g)(g) 1 1 2 2 3 3 本章主要内容：本章主要内容： 化学反应速率和反应机制化学反应速率和反应机制 化学反应速率理论简介化学反应速率理论简介（难点）（难点） 浓度对化学反应速率的影响浓度对化学反应速率的影响（重点）（重点） 温度对化学反应速率的影响温度对化学反应速率的影响（重点）（重点） 催化剂对化学反应速率的影响催化剂对化学反应速率的影响 第一节第一节 化学反应速率的表示方法化学反应速率的表示方法 一、化学反应速率一、化学反应速率 想一想：可以用什么来衡量化学反应的快慢？想一想：可以用什么来衡量化学反应的快慢？ 时间变化时间变化 反应物浓反应物浓 度减少度减少 生成物浓生成物浓 度增加度增加 想一想：化学反应速度与普通物体的移动速度想一想：化学反应速度与普通物体的移动速度 有些什么相同的地方？有些什么相同的地方？ 全程平均速度全程平均速度 某一点的瞬时速度某一点的瞬时速度 二、化学反应的平均速率和瞬时速度二、化学反应的平均速率和瞬时速度 平均速率 瞬时速率 = c（反应物） t = dc（反应物） dt HH 2 2 OO 2 2 (aq) = H(aq) = H 2 2 O(l) + 1/2OO(l) + 1/2O 2 2 (g)(g) I I- - t t (min)(min) HH 2 2 OO 2 2 mol/Lmol/L V V mol/mol/LminLmin 0 0 0.800.80 20200.400.40 (0-20min)(0-20min) 0.40/20=0.0200.40/20=0.020 40400.200.20 (20-40min)(20-40min) 0.20/20=0.0100.20/20=0.010 60600.100.10 (40-60min)(40-60min) 0.10/20=0.00500.10/20=0.0050 c(Hc(H 2 2 OO 2 2 ) ) t t 第二节第二节 化学反应速率理论简介化学反应速率理论简介 一、碰撞理论与活化能一、碰撞理论与活化能 CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) 问题：是否每一次的分之间碰撞都能生成产问题：是否每一次的分之间碰撞都能生成产 物？物？ 1 1、有效碰撞理论、有效碰撞理论 OO C C HH OO HH OO C C HH OO HH HH OO HH OO C C OO C C HH OO HH HH OO HH OO C C OO C C HH OO HH A A B B 有效碰撞有效碰撞发生反应的碰撞发生反应的碰撞B B 弹性碰撞不发生反应的碰撞A 什么条件下能发生有效碰撞？ 需要足够的能量（动能） 有合适的方向 活化分子活化分子 2 2、活化分子与活化能、活化分子与活化能 E E N/NN/N E E 平平 E E E Ea a 正值，键能。 活化能（activation energy）Ea的特征： 活化分子%，反应速率v。 Ea仅与反应物本性、途径有关，与C、T 无关。 40kJ/mol40kJ/mol400kJ/mol400kJ/mol60kJ/mol60kJ/mol250kJ/mol250kJ/mol 反应极快反应极快反应极慢反应极慢 二、过渡态理论简介二、过渡态理论简介 ONO+COON O CO 过渡态 NO+CO2 活化络合物 fastfast slowslow NONO 2 2 +CO+CO NO+CO2 ON O CO 势能 反应进程 Ea Ea rHmrHm 活化能：反应的能垒。Ea，v 问：正向反应是吸热还是放热？ rHm= Ea- Ea 可逆反应 AB+C，正向反应的 活化能为Ea1，逆向反应的活化能为Ea2 若正反应是吸热的，则Ea1Ea2 练习：练习： 第三节第三节 反应机理和元反应反应机理和元反应 1 1 、 CO(g)+HCO(g)+H 2 2 O(g)O(g)COCO 2 2 (g)+H(g)+H 2 2 (g)(g) 一步完成一步完成 第一步：第一步： I I2 2 (g)(g)2I (g) 2I (g) 第二步：第二步： HH 2 2 (g)+2I(g)(g)+2I(g)2HI(g)2HI(g) 快 慢慢 2 2、HH 2 2 (g)+I(g)+I 2 2 (g)(g)2HI(g)2HI(g) 一、简单反应和复杂反应一、简单反应和复杂反应 元反应一步一步就完成的反应。 复合反应 由若干元反应组成 反应机制反应进行的实际步骤 速率控制步骤 速率最小速率最小的那个元反应 复合反应的总速率取决于限速步骤 反应物分子直接碰撞一次反应物分子直接碰撞一次就能生成产物 。 二、元反应和反应分子数二、元反应和反应分子数 1 1、元反应：、元反应： 2 2、反应分子数：、反应分子数：元反应元反应中反应物微粒数之和。中反应物微粒数之和。 （在反应方程式中表现为（在反应方程式中表现为反应物的系数反应物的系数之和）之和） CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) 双分子反应双分子反应 ： 单分子反应单分子反应 ： CHCH 3 3 -CH=CH-CH=CH 2 2 三、质量作用定律与速率方程式三、质量作用定律与速率方程式 1 1、质量作用定律：、质量作用定律： 对于对于元元反应反应 ： a aA+A+b bB Bd dD+D+e eE E 速率方程式速率方程式 ： = =kckc A A a ac c B B b b k k 速率常数，与反应物本性、速率常数，与反应物本性、T T、 催化剂有关，与催化剂有关，与c c无关。无关。 质量作用定律只适用于元反应质量作用定律只适用于元反应 2 2、速率方程式：表示反应物浓度和反应速率、速率方程式：表示反应物浓度和反应速率 之间定量关系的数学式。之间定量关系的数学式。 例：例：2N2O5(g)4NO2(g)+O2(g) 实验证明：实验证明： =kc(N2O5) 反应机制：反应机制： NO3NO+O2 快快 NO+ NO3 快快 2NO2 N2O5NO3+NO2 慢慢 控速步骤控速步骤 A. 元反应由质量作用定律直接写出，复合 反应由实验确定。 速率方程式的写法：速率方程式的写法： B. 纯固态和液态物质浓度不写入。 例：例：C(sC(s) + O) + O 2 2 (g) = CO(g) = CO 2 2 (g) v=kc(O(g) v=kc(O 2 2 ) ) C. 稀溶液中，如溶剂参与反应，可不写入。 例：例：C C12 12H H22 22O O11 11 + H + H 2 2 O = CO = C 6 6 HH12 12O O 6 6 + C + C 6 6 HH12 12O O 6 6 v=kc(Cv=kc(C12 12H H22 22O O11 11 ) ) 注意： 实验测得反应：2N2O5(g) = 4NO2(g)+O2(g)的速 率方程为： =kc(N2O5)而不是 =kc2(N2O5)，说 明该反应不是元反应。 实验测得反应：H2 + I2(g) = 2HI(g)的速率方程 为： =kc(H2)c(I2)能否说明该反应是元反应？ 3 3、速率常数和反应级数：、速率常数和反应级数： = =k kC C A A C C B B 速率常数：速率常数：与反应物本性、与反应物本性、T T、 催化剂有关，与催化剂有关，与C C无关。无关。 反应级数：反应级数：( ( + + ) )，反应速率方程式中各反反应速率方程式中各反 应物浓度方次之和。可以是应物浓度方次之和。可以是整数也可以是分数 反应级数和反应分子数有何区别？反应级数和反应分子数有何区别？ 练习练习：实验测 2ICl(g)+H2(g) I2(g)+2HCl(g) c(ICl)c(H2)，由此可知此反应是： A、三分子反应，二级反应B、二级反应 C、双分子反应，二级反应D、一级反应 当反应A2+B2 2AB的 =kc(A2)c(B2)，可以得出此反应 A、一定是基元反应B、对A2是一级反应 C、一定是非基元反应D、以上说法都不对 第四节第四节 简单级数反应及其特点简单级数反应及其特点 一、一级反应（一、一级反应（ =kc）及其特点：及其特点： c0 c =kt lnc = -kt + lnc0 t时的浓度初始浓度 讨论： lnct作图，是一条直直线 k k与与c c的单位是否无关？的单位是否无关？ c0 c t k = 1 单位 ： 1 时间 半衰期半衰期t t1/2 1/2 c = 1/2 c0时的t t1/2= k 2 = k 0.693 与与c c 0 0 无关无关 例：反应 2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g) 服从速率方程式 =kc(N=kc(N 2 2 OO 5 5 ) ) 设某温度时k=1.68x10-2s-1，如在一个5.00L的 容器中放入2.50mol N2O5，在该温度下反应进 行1.00min，问N2O5的剩余量及O2的生成量各 为多少？ 此反应不是元反应，从速率方程看是一级反应此反应不是元反应，从速率方程看是一级反应 。 解： 初始 1.00min 2.5000 x4x2.502x 设O2的生成量为x mol c0= 2.50/5.00 = 0.500(mol/L) 2N2O5(g) 4NO2(g) + O2(g) lnc = - kt + lnc0 1.68x10-2s-160 s 0.5mol/L N2O5的剩余浓度：c = 0.182(mol/L) N2O5的剩余量 = 0.1825.00 = 0.910(mol) 2.50 2x = 0.910 x = 0.795 (mol) 练习练习：某药物在体内的分解反应为一级反应 ，已知给药后药物在血浆中的初始质量浓度 为8.2mg/L,经4小时后，测得药物的质量浓度 为5.5 mg/L，求该药物的半衰期。 解：解： c0 c t k = 1 = 5.5 4 1 8.2 =0.10(h-1) t1/2= 0.693 / k= 0.1 0.693 = 6.93(h) 二、零级反应与二级反应简介：二、零级反应与二级反应简介： 反应级数反应级数一级反应一级反应二级反应二级反应零级反应零级反应 速率方程式速率方程式lnc lnc 0 0 -lnc=-lnc=ktkt1/c - 1/c1/c - 1/c 0 0 = =ktkt c c0 0 - c = - c =ktkt 直线关系直线关系lnc lnc - t - t1/c - t1/c - t c - tc - t 斜率斜率-k -k k k -k-k 半衰期半衰期0.693/k 0.693/k1/k1/k c c 0 0 c c0 0 /2k/2k k k的量纲的量纲 时间时间 -1 -1 浓度浓度 -1 -1 时间 时间 -1 -1 浓度浓度 时间时间 -1-1 第五节第五节 温度对化学反应速率的影响温度对化学反应速率的影响 温度，活化分子% ，故 。 ArrheniusArrhenius方程式：方程式： =kCACB lnk= RT Ea + lnA 讨论讨论 ： 对于条件固定的某一反应，活化能对于条件固定的某一反应，活化能EaEa是常是常 数，数，T T ，k k值变大，反应速率值变大，反应速率 。 同温度下，Ea大的反应k，反应速率。 k2 k1 = Ea R ( T2T1 T1T2 ) 例：丙酮二酸在水中的分解反应 10时k10=1.08x10-4s-1，60 时k60= 5.48x10-2s-1，求反应的活化能、30时的k30 及20/ 10。 解：解： k2 k1 = Ea R ( T2T1 T1T2 ) 5.48x10-2 1.08x10-4 = Ea 8.314 ( 333283 333283 ) Ea = 97.6 kJ/molEa = 97.6 kJ/mol k30 1.08x10-4 = 97600 8.314 ( 303283 303283 ) k30 = 1.6710-3 s-1 20 10 = k20 k10 =4.12 k20 k10 = Ea R ( 293283 293283 ) 一般情况下，温度一般情况下，温度 每升高每升高1010度，同一度，同一 反应的反应速率提反应的反应速率提 高高4 4倍左右。倍左右。 练习练习 1、一般情况下，不管是放热反应还是吸 热反应，温度升高， 都加快。 2、对于一个化学反应来说，下列叙述中 正确的是 A rHm愈负，。B rGm愈小， C k愈小，。D Ea愈小，。 第六节第六节 催化剂对化学反应速率的影响催化剂对化学反应速率的影响 蔗糖蔗糖+H+H 2 2 OO 转化酶，37 37 无催化剂，83678367 产物 催化剂催化剂 (Catalyst)(Catalyst) 一、催化剂和催化作用一、催化剂和催化作用 1 1、反应前后，质量和组成不变、反应前后，质量和组成不变 2 2、用量少，作用大。、用量少，作用大。 3 3、同时加速正、逆反应，提早达平衡；、同时加速正、逆反应，提早达平衡； 但不改变但不改变KK、rGmrGm 4 4、选择性高。、选择性高。 二、催化作用原理二、催化作用原理 均相催化理论中间产物学说 例：乙醛的分解 催化剂：I2 无无I I 2 2 存在：Ea=190.4 kJ/mol CH3CHOCH4+CO 有有I I 2 2 存在：Ea=136 kJ/mol CH3CHO+I I 2 2 CH3I+HI+CO CH3I+ HICH4+ I I 2 2 中间产物 k k = Aexp(Ea /RT) Aexp(Ea /RT) =3905 中间产物学说：由于形成中间产物而改变了 反应途径，降低了Ea. E E E E1 1 (1)(1) (2)(2) A+B+A+B+C C AAC C+B+B AB+AB+C C A+BA+B C C ABAB 练习题练习题 1、如果催化剂能使 正正增加三倍， 那么必然也能使 逆逆增加三倍。