化学反应速率与化学平衡.ppt

第四章化学反应速率和化学平衡 4 1化学反应速率 4 2化学平衡 掌握化学反应速率的概念及表示方法 影响化学反应速率的因素 可逆反应和化学平衡的概念 影响化学平衡的因素 掌握活化能的概念 碰撞理论 化学平衡常数的表达式及意义 了解质量作用定律 过渡态理论 化学反应热 学习目标 一 化学反应速率的概念及表示方法 化学反应涉及的问题 反应速率 反应限度 化学反应是否一定进行得很快 快 木材的氧化 点燃 爆炸反应 中和反应等 慢 金属锈蚀 食品腐烂 塑料老化等 化学反应有快有慢 HCl NaOH NaCl H2O 千分之一秒即完成 H2 Cl2 2HCl 百分之一秒即完成 救心丹 几分钟见效 钢铁腐蚀 若干年 煤 石油等化石燃料的形成 几千万年以上 化学反应速率 单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示 常用单位为mol L s 或mol L min mol L h 对于同一化学反应 可以选定不同物质的浓度变化来计算反应速率 例 N2 3H2 2NH3初始t11 03 00 0mol L 12秒后t20 82 40 4mol L 1 对于同一化学反应 选定不同的对象计算反应速率不同 所以书写时要注明具体的物质 对于化学反应 aA bB gG hH采用不同物质定义的反应速率之间存在关系 三个数值反映的是同一反应进行的快慢 但数值并不相等 关键是物质前面的化学计量数不一样 没合适的取向 没足够的能量 足够的能量 合适的取向 投篮 碰撞理论 化学反应 化学反应的实质是反应物分子内旧键断裂 形成生成物分子中新的化学键 这种转化过程必须提供足够的能量方可实现 反应物分子间的相互碰撞 是发生化学反应的前提 据测定 在标准状况下 分子相互碰撞频率的数量级高达1032次 dm3 s 如果每次碰撞都能发生化学反应 气体反应物之间的反应都会爆炸性的发生 这就说明在众多的碰撞中 只有极少数能量较高的分子间碰撞才能发生反应 这些能发生化学反应的碰撞称为有效碰撞 二 碰撞理论1 有效碰撞 能发生有效碰撞的分子称为活化分子 活化分子比其他一般的分子具有更高的能量 活化分子在总分子数中占有的比例越高 则有效碰撞的次数越多 反应速率也也越快 在一定条件下 体系中反应物分子具有一定的平均能量 E 活化分子具有的平均能量为 E 把活化分子的平均能量 E 与反应物分子的平均能量 E 之差 称为活化能 Ea 2 活化分子与活化能 普通分子要吸收足够能量才能转变为活化分子 才能发生有效碰撞 所以活化能的大小是决定化学反应速率的重要因素 由于不同的物质具有不同的活化能 一般来说 活化能小的反应 速率越快 反应速率还与碰撞方位有关 只有能量足够大 且方位适宜的分子间的碰撞才是有效碰撞 2 活化分子与活化能 活化分子百分数 活化分子数 反应物分子数 100 化学反应速率主要取决于 普通分子 活化能 活化分子 合理取向碰撞 有效碰撞 新物质 单位体积内活化分子数有效碰撞的几率 反应历程 有利的 越快越好 有害的 越慢越好 能否控制化学反应速率呢 化学反应速率是由反应物的性质决定的 影响化学反应速率的因素 在相同条件下 等质量 金属颗粒大小相同 的下列金属与足量1mol L盐酸反应时 速率最快的是A镁B铝C钠D铁 化学反应速率是由反应物的性质决定的 内因是主要因素外因主要有浓度 压强 温度和催化剂 三 影响反应速率的因素 实验7 1 在不同浓度的Na2S2O3溶液中同时加入同体积同浓度的稀硫酸 发生如下反应 Na2S2O3 H2SO4 Na2SO4 S SO2 H2O 观察出现黄色混浊的快慢 结果是浓溶液的反应速率大 1 浓度对化学反应速率的影响 在稀的水溶液中 发生反应 H2O2 2H 2Br 2H2O Br2其他条件不变 仅改变反应物的浓度 对它进行反应速率测定 数据如下 结论 在其他条件不变时 增大反应物浓度 可以增大反应速率 结果 H2C2O4溶液浓度大 KMnO4先褪色 2KMnO4 5H2C2O4 3H2SO4 K2SO4 2MnSO4 10CO2 8H2O 影响因素 本质原因 反应物浓度增大 单位体积内活化分子数增多 有效碰撞的几率增加 反应速率增大 影响因素 浓度 结论 增加反应物的浓度 反应速率加快 减小反应物的浓度 反应速率减小 2 压力对化学反应速率的影响 结论 当温度一定时 气体所受压力增大 气体的体积会缩小 单位体积内气体的分子数 即气体物质的浓度 会增加 因此 对于有气体物质参加的反应 增大压力 即增大反应物的浓度 反应速率加快 压力只对有气体参加的化学反应的反应速率有影响 因为一定温度下 压力的改变会影响气体体积的变化 从而引起气体浓度的变化 所以压力对反应速率的影响 本质上与浓度对反应速率的影响相同 3 温度对化学反应速率的影响 结论 温度升高 反应物分子间的碰撞频率加快 一定程度上增加了单位时间内分子间的有效碰撞次数 使反应速率加快 温度升高 使一些普通分子获得能量成为活化分子 增加了活化分子百分率 使单位时间内有效碰撞次数大大增加 反应速率加快 荷兰科学家范特霍夫提出 温度每升高10K 反应速度一般增加到原来的2 4倍 Van tHoff 1901年诺贝尔奖获得者 主要工作为动力学研究 渗透压定律等 4 催化剂对化学反应速率的影响 催化剂 能改变化学反应速率 而本身的化学组成 性质和质量在反应前后都不变的物质 特点 同等程度地加快正 逆反应的速率 不能改变反应的可能性和平衡常数 催化剂能高效地加快反应速率 被广泛用于生产和生活中 尤其是在生物催化中尤为突出 在生物体内几乎所有的化学反应都由酶所催化 酶的种类繁多 都是蛋白质 酶不同于一般的催化剂 具有高度的专一性 高效的催化活性 同时对反应条件要求较高 反应历程 能量 反应过程 E1 E2 反应物 生成物 活化分子 活化能 活化分子变成生成物分子放出的能量 反应热 没加催化剂 加了催化剂 使用催化剂 能够降低反应所需的能量 这样会使更多的反应物的分子成为活化分子 大大增加单位体积内反应物分子中活化分子所占的百分数 因而使反应速率加快 衣物上的油渍用普通洗衣粉很难洗去 但如果用加有酶的洗衣粉 则较容易就能洗去 为什么 一 可逆反应与化学平衡 在一定条件下 有些反应一旦发生 就能不断进行 直到反应物几乎都变成生成物 这种只能向一个方向进行的单向反应称为不可逆反应 在同样的条件下 既可正向进行又可逆向进行的反应称为可逆反应 在反应方程式中常用两个相反的箭头 代替等号 以表示反应的可逆性 在可逆反应中 常把从左到右的反应称为正反应 从右到左的反应称为逆反应 合成氨反应 N2 3H2 2NH3初始状态 1mol3mol0mol 刚开始只有氮气和氢气发生正反应 一旦有氨气产生 立即有分解反应发生逆反应 正反应速率变慢 逆反应速率变快 在单位时间内反应物减少的分子数等于逆反应生成的分子数 反应系统内各物质浓度不再改变 表面上看 反应不再向某一方向进行 化学平衡 在一定条件下 可逆反应处于v 正 v 逆 的状态 化学平衡的特征 1 在密闭容器中 反应不能进行到底 无论反应多长时间 反应物和生成物同时存在 2 是动态平衡 正 逆反应仍在进行 只是二者速率相等 即 V正 V逆 0 3 系统的组成不再随时间而变 保持恒定 4 平衡态是反应达到的最大程度 条件改变时 平衡会破坏而移动 二 化学平衡常数 当可逆反应达平衡时 系统中各物质的浓度不再随时间的改变而变化 称为平衡浓度 一定温度下 无论初始物是反应物还是生成物 无论各物质的初始浓度和平衡浓度是何数值 只要达到平衡态 该系统中生成物平衡浓度的乘积与反应物平衡浓度的乘积之比一定是一个定值 该定值称为平衡常数 对于任一可逆反应 mA nB pC bD 在一定温度下达平衡时 以下表达式为一常数 Kc为平衡常数 Kp为平衡常数 对于气相反应 恒温恒压下 气体的分压与浓度成正比 因此 在平衡常数表达式中 也可用平衡时各气体的平衡分压来代替浓度 即 平衡常数意义 化学反应在一定条件下达到平衡后反应物的转化程度 Kc越大 正反应进行的程度越大 平衡混合物中生成物的相对平衡浓度越大 2 书写平衡常数表达式的注意事项 1 反应系统中的纯固体 纯液体或稀溶液中的水不写进表达式中 Cr2O72 H2O 2CrO42 2H CO2 g H2 g CO g H2O l 2 平衡常数表达式必须与反应方程式相对应 反应式的写法不同 平衡常数的表达式和平衡常数值也不同 N2 g 3H2 g 2NH3 g 1 2N2 g 3 2H2 g NH3 g 3 正 逆反应的平衡常数互为倒数 2SO2 g O2 g 2SO3 g 2SO3 g 2SO2 g O2 g 三 化学平衡的移动 化学平衡是在一定条件下相对的 暂时的平衡 如果外界条件 如浓度 温度压力等 发生改变 平衡将被破坏 而向新的平衡态转化 由于外界条件的改变 使可逆反应从一种平衡状态向另一种平衡状态转变的过程 叫做化学平衡的移动 在其他条件不变时 增大反应物浓度或减小生成物浓度 平衡向正反应方向移动 增大生成物浓度或减小反应物浓度 平衡向逆反应方向移动 增加Fe3 或SCN 的浓度 平衡向生成Fe SCN 3的方向移动 故红色加深 例如 工业上制取硫酸的过程中 有一重要的反应 在实际生产过程中 常用过量的空气与成本较高的SO2作用 为什么 在实际工作中 常通过增大成本较低的原料的浓度 达到充分利用贵重原料 提高贵重原料的转化率 也常采用分离出产物的方法来提高反应物的利用率 压力对固体和液体的影响很小 故压力的改变对固体和液体反应的平衡系统没有显著影响 对于有气体参加的反应 反应前后气体分子数目不变的反应 改变压强平衡不移动 因为改变压强同时改变正逆反应速率 并且改变程度相同 反应前后气体分子数目变化的反应 改变压强 速率改变倍数不一样 分子数目多的一侧速率改变倍数大 所以增大压强 化学平衡向着气体分子数目减少的方向移动 减小压强 化学平衡向着气体分子数目增多的方向移动 图中左为热水 右为冰水 2NO2 g 红棕色 N2O4 g 无色 56 9kJ mol 升高温度 正 逆反应速率都增大 但增大的倍数不一样 吸热反应增大的倍数大 降低温度 正