《化学反应动力学》PPT课件.ppt

第八章化学动力学 ChemistryKinetics 物理化学 学习要求 掌握反应速率的表示法以及基元反应 反应级数 反应分子数等基本概念 重点掌握具有简单反应级数的速率公式的特点 能从实验数据求反应级数和速率常数 了解几种复合反应的动力学公式及活化能求法 重点掌握根据稳态近似法和平衡态近似法由复合反应的反应历程导出反应速率公式 掌握链反应的特点及速率方程的推导 了解气体碰撞理论和过渡状态理论 了解溶液中的反应和多相反应 掌握光化学定律及光化反应的机理和速率方程 了解催化作用的通性及单相多相催化反应的特点 第八章化学动力学 引言 8 1化学反应的反应速率及速率方程 8 2速率方程的积分形式 8 3速率方程的确定 8 4温度对反应速率的影响 活化能 8 5典型复合反应 8 6复合反应速率的近似处理法 8 7链反应 8 8气体反应的碰撞理论 8 9势能面与过渡状态理论 8 10溶液中的反应 8 11多相反应 8 12光化学 8 13催化作用基础 8 14分子动态学 化学热力学研究化学变化的方向和限度或平衡等问题 化学热力学只能预测反应的可能性 但关于反应的速率以及反应的机理则不能回答 例如 热力学只能判断这两个反应都有可能发生 引言 化学热力学的研究对象和局限性 化学动力学研究化学反应的速率和反应的机理以及温度 压力 催化剂等外界因素对反应速率的影响 把热力学的反应可能性变为现实性 例如 动力学认为 需一定的T p和催化剂 点火 加温或催化剂 化学动力学的研究对象 动力学和热力学的关系是相辅相成的 经热力学研究认为是可能的 但实际进行时反应速率太小 则可以通过动力学研究 降低其反应阻力 缩短达到平衡的时间 经热力学研究认为是不可能进行的反应 则没有必要再去研究如何提高反应速率的问题了 过程的可能性与条件有关 有时改变条件可使原条件下热力学上不可能的过程成为可能 动力学和热力学的关系 化学动力学包括两大部分主要内容 化学动力学唯象规律 探讨浓度 温度 催化剂等因素对反应速率的影响 2 化学动力学速率理论 探讨唯象规律的理论基础 探讨反应速率与分子微观运动 微观性质的关系 8 1化学反应的反应速率及速率方程 速率方程又称动力学方程 它表明了反应速率与浓度等参数之间的关系或浓度等参数与时间的关系 速率方程可表示为微分式或积分式 速度 velocity 是矢量 有方向性 速率 rate 是标量 无方向性 都是正值 通常的反应速率都是指等容反应速率 它的定义为 单位体积内化学反应的反应进度随时间的变化率 等容时 1 反应速率的定义 对任何反应 A的消耗速率 H的生成速率 反应速率与消耗速率和生成速率 各不同物质的消耗速率或生成速率 与各自的化学计量数的绝对值成正比 即 2 基元反应和非基元反应 在化学反应过程中 反应物分子一般总是经过若干个简单的反应步骤 才最后转化为产物分子的 每一个简单的反应步骤就是基元反应 elementaryreaction 或由反应物分子一步直接转化为产物分子的反应 基元反应为组成一切化学反应的基本单元 所谓反应机理 或反应历程 一般是指该反应是由哪些基元反应组成的 化学反应方程 除非特别注明 一般都属于化学计量方程 而不代表基元反应 例如合成氨反应就是化学计量方程 3 化学反应的机理化学反应实际进行的过程中 反应物分子并不是直接就变成产物分子 通常总要经过若干个简单的反应步骤 才能转化为产物分子 这个过程中的每一个简单的反应步骤就称为是一个基元反应 或基元过程 例如氢气与碘的气相反应H2 g I2 g 2HI g 经实验和理论证明 生成HI的反应经历了以下几个反应步骤 1 I2 M I I M 2 H2 I I 2HI 3 I I M I2 M上述每一个简单的反应步骤都是由反应物的分子直接生成产物分子的反应 动力学中将这样一步完成的反应称为基元反应 而将H2 I2 2HI称为总包反应 若总包反应是经历了两个或两个以上的基元反应的完成的 则称为复杂反应 组成复杂反应的基元反应集合代表了反应所经历的步骤 在动力学上称为反应的机理或反应的历程 通常书写的化学反应计量方程式并不代表该化学反应进行的实际过程 例如卤素于氢气的反应I2 g H2 g 2HI g Br2 g H2 g 2HBr g Cl2 g H2 g 2HCl g 的反应方程式是非常类似的 但动力学研究表明它们的反应机理是非常不同的 如HBr g 和HCl g 生成反应的反应机理为 HCl 1 Cl2 M 2Cl M 2 Cl H2 HCl H 3 H Cl2 HCl Cl 4 2Cl M Cl2 M HBr 1 Br2 M 2Br M 2 Br H2 HBr H 3 H Br2 HBr Br 4 H HBr H2 Br 5 2Br M Br2 M 4 基元反应的速率方程 质量作用定律 反应分子数 在基元反应中 实际参加反应的分子数目称为反应分子数 反应分子数可区分为单分子反应 双分子反应和三分子反应 四分子反应目前尚未发现 反应分子数只可能是简单的正整数1 2或3 基元反应的速率与各反应物浓度的幂乘积成正比 其中各浓度的方次为反应方程中相应组分的分子个数 计量系数 这就是质量作用定律 质量作用定律 速率方程中的比例常数k叫做反应速率常数 系数 为一定值 与浓度无关 质量作用定律只适用于基元反应 基元反应 5 化学反应速率方程的一般形式 反应级数 各浓度的方次 和 等 分别称为反应组分A和B等的反应分级数 量纲为一 反应总级数n为各组分反应分级数的代数和 对任何反应 速率方程中的比例常数k叫做反应速率常数 速率系数 可由试验确定 也可计算得到 为一定值 与反应物的浓度或分压无关 但它与温度 催化剂有关 这一章对速率系数k进行多方面讨论 可由试验确定 反应级数的大小表示浓度对反应速率的影响程度 级数越大 则反应速率受浓度影响越大 基元反应可以直接应用质量作用定律 根据反应数的定义 单分子反应即为一级反应 双分子反应即为二级反应 三分子反应即为三级反应 只有这三种情况 非基元反应不仅有一级 二级 三级反应 还可以有零级 分数级如1 2级 3 2级及负数级等反应 甚至速率方程中还会出现反应产物的浓度项 反应级数 orderofreaction 6 用气体组分的分压表示的速率方程 设反应为 A的消耗速率 基于分压A的消耗速率 物理方法 利用产物和反应物的某一物理性质 如分压力 电导率 旋光度 吸光度 体积及系统的总压等 的差别来测定的 这种方法不需中止反应 能够连续测量 化学方法 用骤冷 抽去催化剂或冲稀等方法使反应停止 然后进行化学分析的方法 7 化学反应速率的试验测定 在浓度随时间变化的图上 在时间t时 作交点的切线 就得到t时刻的瞬时速率 显然 反应刚开始 速率大 然后不断减小 体现了反应速率变化的实际情况 测定浓度的方法可分为两类 化学方法 传统的定量分析法或采用较先进的仪器分析法 取样分析时要终止样品中的反应 方法有 降温冻结法 酸碱中和法 试剂稀释法 加入阻化剂法等 物理方法 选定反应物 或生成物 的某种物理性质对其进行监测 所选定的物理性质一般与反应物 或生成物 浓度呈线性关系 如体积质量 气体的体积 或总压 折射率 电导率 旋光度 吸光度等 对于反应速率较大的反应 常采用流动态法 即反应器装置采用连续式反应器 管式或槽式 反应物连续地由反应器入口引入 而生成物从出口不断流出 1 一级反应 firstorderreaction 反应速率只与反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应 常见的一级反应有放射性元素的蜕变 分子重排 五氧化二氮的分解等 8 2速率方程的积分形式 A 产物 微分式 积分式 当反应物消耗掉一半时 当反应物消耗掉3 4时 半衰期 half lifetime 转化率 某一时刻反应物A反应掉的分数称为该时刻A的转化率xA 一级反应积分式可写成 1 速率常数k的单位为时间的负一次方 时间t可以是秒 s 分 min 小时 h 天 d 和年 a 等 3 半衰期是一个与反应物起始浓度无关的常数 2 与t呈线性关系 一级反应的特点 一级反应的直线关系 4 反应完毕 反应完毕 过氧化氢催化分解lg V Vt 与t关系曲线 物理化学实验 16学时 燃烧焓的测定 103 电动势法测定化学反应的热力学函数 变化 205 二组分合金系统相图的绘制 105 过氧化氢的催化分解 207 萘的燃烧焓的测定 2 二级反应 反应速率方程中 浓度项的指数和等于2的反应称为二级反应 常见的二级反应有乙烯 丙烯的二聚作用 乙酸乙酯的皂化 碘化氢的热分解反应等 例如 有基元反应 aA 产物 微分式 积分式 半衰期 用转化率可写成 1 只有一种反应物的情形 aA bB 产物 速率方程为 1 当a b 且两种反应物初始浓度相等cB 0 cA 0 则任一时刻两反应物的浓度相等 cB cA 2 有两种反应物的情形 2 当a b 且两种反应物初始浓度符合cB 0 b cA 0 a 则任一时刻两反应物的浓度均满足cB b cA a 3 当a b 但cB 0 cA 0 则任一时刻cB cA 设t时刻反应掉的浓度为cX则cA cA 0 cX cB cB 0 cX 则dcA dcX 1 速率常数k的单位为 浓度 1 时间 1 2 半衰期与起始物浓度成反比 3 与t成线性关系 二级反应 a b 的特点 二级反应的直线关系 3 零级反应 zerothorderreaction 反应速率方程中 反应物浓度项不出现 即反应速率与反应物浓度无关 这种反应称为零级反应 常见的零级反应有表面催化反应和酶催化反应 这时反应物总是过量的 反应速率决定于固体催化剂的有效表面活性位或酶的浓度 A 产物 微分式 积分式 半衰期 half lifetime 反应物反应掉一半所需要的时间 零级反应的特点 1 速率常数k的单位为 浓度 时间 1 2 半衰期与反应物起始浓度成正比 3 cA与t呈线性关系 零级反应的直线关系 4 n级反应 仅由一种反应物A生成产物的反应 反应速率与A浓度的n次方成正比 称为n级反应 从n级反应可以导出微分式 积分式和半衰期表示式等一般形式 这里n不等于1 aA 产物或 aA bB 产物 微分式 积分式 n 1 半衰期 1 速率常数k的单位为 浓度 1 n 时间 1 2 与t呈线性关系 当n 0 2 3时 可以获得对应的反应级数的积分式 但n 1 因一级反应有其自身的特点 当n 1时 有的积分式在数学上不成立 3 半衰期的表示式为 n级反应的特点 8 3速率方程 反应级数 的确定 对于化学反应aA bB 产物 速率方程为 无论cB b cA a 或者cA 或cB 近似为常数 这类方程都可以化成 动力学参数只有 和k 故所谓速率方程的确定 就是确定这两个参数 而方程的形式取决于n 所以关键是确定反应级数 为了确定反应级数 需要有一定温度下不同时刻的反应物浓度的数据 测定不同时刻反应物浓度的方法分为化学法和物理法 物理方法 利用产物和反应物的某一物理性质 如分压力 摩尔电导率 摩尔旋光本领 摩尔体积等 的差别来测定的 这种方法不需中止反应 化学方法 用骤冷 抽去催化剂或冲稀等方法使反应停止 然后进行化学分析的方法 测定浓度的方法可分为两类 化学方法 传统的定量分析法或采用较先进的仪器分析法 取样分析时要终止样品中的反应 方法有 降温冻结法 酸碱中和法 试剂稀释法 加入阻化剂法等 物理方法 选定反应物 或生成物 的某种物理性质对其进行监测 所选定的物理性质一般与反应物 或生成物 浓度呈线性关系 如体积质量 气体的体积 或总压 折射率 电导率 旋光度 吸光度等 对于反应速率较大的反应 常采用流动态法 即反应器装置采用连续式反应器 管式或槽式 反应物连续地由反应器入口引入 而生成物从出口不断流出 1 微分法 从直线斜率求出n值 具体作法 根据实验数据作cA t曲线 在不同时刻t求 dcA dt 作图法 以ln dcA dt 对lncA作图 微分法要作三次图 引入的误差较大 但可适用于非整数级数反应 aA 产物 有时反应产物对反应速率有影响 为了排除产物的干扰 常采用初始浓度法 上右图 2 尝试法 1 将各组cA t值代入具有简单级数反应的速率定积分式中 计算k值 若得k值基本为常数 则反应为所代入方程的级数 若求得k不为常数 则需再进行假设 当实验测得了一系列cA t或x t的动力学数据后 作以下两种尝试 2 分别用下列方式作图 如果所得图为一直线 则反应为相应的级数 积分法适用于具有简单级数的反应 3 半衰期法 用半衰期法求除一级反应以外的其它反应的级数 以lnt1 2 lncA作图从直线斜率求n值 从多个实验数据用作图法求出的n值更加准确 根据n级反应的半衰期通式 取两个不同起始浓度作实验 分别测定半衰期为和 因同一反应 常数相同 所以 8 4温度对反应速率的影响 活化能 范特霍夫 van tHoff 规则 范特霍夫根据大量的实验数据总结出一条经验规律 温度每升高10K 反应速率近似增加2 4倍 这个经验规律可以用来估计温度对反应速率的影响 此比值也称为反应速率的温度系数 1 阿伦尼乌斯方程 Arrhenniusequation 1 指数式 描述了速率随温度而变化的指数关系 A称为指前因子 称为阿仑尼乌斯活化能 阿仑尼乌斯认为A和都是与温度无关的常数 2 对数式 描述了速率系数与1 T之间的线性关系 可以根据不同温度下测定的k值 以lnk对1 T作图 从而求出活化能 4 定积分式 设活化能与温度无关 根据两个不同温度下的k值求活化能 3 微分式 k值随T的变化率决定于值的大小 温度对反应速率影响的类型 1 反应速率随温度的升高而逐渐加快 它们之间呈指数关系 这类反应最为常见 2 开始时温度影响不大 到达一定极限时 反应以爆炸的形式极快的进行 3 在温度不太高时 速率随温度的升高而加快 到达一定的温度 速率反而下降 如多相催化反应和酶催化反应 4 速率在随温度升到某一高度时下降 再升高温度 速率又迅速增加 可能发生了副反应 5 温度升高 速率反而下降 这种类型很少 如一氧化氮氧化成二氧化氮 活化能在300K时 若两个反应的指前因子相同 而活化能仅差10kJ mol 1时 两个反应的速率常数之比为 即两个反应的速率常数相差55倍 而10kJ mol 1仅占一般反应的活化能 40 400kJ mol 1 的25 2 5 这足以说明活化能对反应速率的影响之大 2 活化能 activationenergy 正 逆反应的活化能和可以用图表示 活化能 由反应物到产物 是一个旧键断裂和新键形成的过程 旧键断裂和新键的形成都需要能量 由反应物到产物 反应物分子必须经过接触碰撞才能转变成产物 但并非所有分子的碰撞都能够引起反应 因此只有能量高的分子 活化分子 经过碰撞才能转变成产物 这是阿累尼乌斯活化能Ea的定义式 阿累尼乌斯认为 普通的反应物分子之间并不能发生反应而生成产物分子 为能发生化学反应 普通分子必须吸收足够的能量先变成活化分子 活化的反应物分子之间才可能发生反应生成产物分子 对于基元反应 图反应体系中能量的变化 设其正 逆方向的速率常数为k1和k 1 平衡常数为Kc 当反应达到平衡时 正 逆方向的反应速率相等 即 或k1cAcB k 1cCcD 又由化学平衡的等容方程 有 或 因此上式可分解为如下二式 def 所以一定温度下 反应活化能越大 则具有活化能量的分子数就越少 因而反应就越慢 对于一定的反应活化能 若温度越高则活化分子数就越多 因而反应就越快 托尔曼 Tolman 较严格地证明了上述所定义的阿累尼乌斯活化能Ea确实等于活化分子平均能量与普通分子平均能量之差 由k T数据按阿累尼乌斯方程算出的Ea 对基元反应来说的确具有能峰的意义 也可以说 若某反应速率常数随温度变化的关系符合阿累尼乌斯方程 则可认为该反应是一个需要翻越能峰为Ea的反应 对于基元反应 图反应体系中能量的变化 3 活化能与反应热的关系 化学反应的摩尔等容反应热在数值上等于正向反应与逆向反应的活化能之差 或 8 5典型复合反应1 对行反应 oppositereaction 在正 逆两个方向同时进行的反应称为对行反应 俗称可逆反应 正 逆反应可以为相同级数 也可以为具有不同级数的反应 可以是基元反应 也可以是非基元反应 例如 为简单起见 考虑一级对行反应 t 0cA 00t tcAcA 0 cAt tecA ecA 0 cA e 对行反应的净速率等于正向速率减去逆向速率 当达到平衡时 净速率为零 A的消耗速率 对行反应的微分式 式中cA cA 0 cA 称为反应物的距平衡浓度差 对行反应的积分式 可见ln cA cA e t图为一条直线 由直线的斜率可求出 k1 k 1 再由实验测得Kc 可求出k1 k 1 联立得出k1和k 1 对行反应的特点 1 净速率等于正 逆反应速率之差值 2 达到平衡时 反应净速率等于零 3 正 逆速率系数之比等于平衡常数KC k1 k 1 4 在c t图上 达到平衡后 反应物和产物的浓度不再随时间而改变 2 平行反应 parallelreaction 相同反应物同时进行若干个不同的反应称为平行反应 这种情况在有机反应中较多 通常将生成期望产物的一个反应称为主反应 其余为副反应 总的反应速率等于所有平行反应速率之和 平行反应的级数可以相同 也可以不同 前者数学处理较为简单 如果这两个反应都是一级反应 则 若反应开始时只有A 则按计量关系可知 积分式 与一般的一级反应完全相同 只不过速率常数不同 1 平行反应的总速率等于各平行反应速率之和 2 速率方程的微分式和积分式与同级的简单反应的速率方程相似 只是速率系数为各个反应速率系数的和 3 当各产物的起始浓度为零时 在任一瞬间 各产物浓度之比等于速率常数之比 若各平行反应的级数不同 则无此特点 平行反应的特点 一级平行反应的c t图 k1 2k2 4 活化能高的反应 速率常数随温度的变化率也大 即温度升高有利于活化能大的反应 不同的催化剂可以改变某一反应的速率 所以生产上经常选择最适宜的温度或适当催化剂 来选择性地加速人们所需要的反应 例如 甲苯的氯化 可以直接在苯环上取代 也可以在侧链甲基上取代 在低温 30 50 FeCl3为催化剂主要是苯环上的取代 高温 120 130 用光激发 则主要是侧链取代 3 连串反应 consecutivereaction 有很多化学反应是经过连续几步才完成的 前一步生成物中的一部分或全部作为下一步反应的部分或全部反应物 依次连续进行 这种反应称为连续反应或连串反应 连续反应的数学处理极为复杂 在此只考虑最简单的由两个单向一级反应组成的连续反应 t 0cA 000t tcAcBcC A的消耗速率 积分式 CBCC公式的推导 因为中间产物既是前一步反应的生成物 又是后一步反应的反应物 它的浓度有一个先增后减的过程 中间会出现一个极大值 这极大值的位置和高度决定于两个速率常数的相对大小 如下图所示 连串反应的c t关系图 在中间产物浓度B出现极大值时 它的一阶导数为零 由 8 6复合反应速率的近似处理法1 选取控制步骤法 由于连续反应的数学处理比较复杂 一般作近似处理 当其中某一步反应的速率很慢 就将它的速率近似作为整个反应的速率 这个慢步骤称为连续反应的速率控制步骤 ratedeterminingstep 1 k1 k2 第二步为速控步 2 k2 k1 第一步为速控步 2 平衡态近似法 equilibriumapproximation 令 若最后一步为慢步骤 那么快速平衡时正逆向反应速率应近似视为相等 所以 3 稳态近似法 steadystateapproximation 假定反应进行一段时间后 体系基本上处于稳态 这时 各中间产物的浓度可认为保持不变 这种近似处理的方法称为稳态近似 一般活泼的中间产物可以采用稳态近似 例 用稳态近似法 比较控制步骤法 使用何种近似方法要根据已知条件选择合理近似 由 4 非基元反应的表观活化能与基元反应活化能之间的关系 阿伦尼乌斯方程适用于大多数非基元反应例称为非基元反应的总的活化能 表观活化能 apparentactivationenergy 非基元反应的阿伦尼乌斯活化能或表观活化能 为组成该基元反应的各基元反应活化能的代数和 这表观活化能也称为总包反应活化能或实验活化能 组合的方式决定于基元反应的速率系数与表观速率系数之间的关系 这个关系从反应机理推导而得 例如 8 7链反应 chainreaction 1 单链反应的特征 例 实验测定的速率方程 总包反应 推测反应机理为 链终止 链引发 1链的开始 chaininition 产生自由原子或自由基 2链的传递 chainpropagation 在生成产物的同时 能够再生自由原子或自由基 3链的终止 chaintermination 自由原子或自由基变为一般分子 链反应一般有三个步骤组成 2 由单链反应的机理推导反应速率方程 从反应机理导出速率方程必须作适当近似 稳态近似是方法之一 假定反应进行一段时间后 体系基本上处于稳态 这时 各中间产物的浓度可认为保持不变 这种近似处理的方法称为稳态近似 一般活泼的中间产物可以采用稳态近似 如果从反应机理导出的速率方程和表观活化能与实验值相符 说明反应机理是正确的 与实验测定的速率方程一致 3 支链反应与爆炸界限 支链反应也有链引发过程 所产生的活性质点一部分按直链方式传递下去 还有一部分每消耗一个活性质点 同时产生两个或两个以上的新活性质点 使反应像树枝状支链的形式迅速传递下去 因而反应速度急剧加快 引起支链爆炸 如果产生的活性质点过多 也可能自己相碰而失去活性 使反应终止 例 2H2 g O2 g 2H2O g 总反应 这个反应看似简单 但反应机理很复杂 至今尚不十分清楚 但知道反应中有以下几个主要步骤和存在H O OH和HO2等活性物质 2 随着温度的升高 活性物质与反应分子碰撞次数增加 使支链迅速增加 如反应 4 和 5 就引发支链爆炸 这处于ab和bc之间 反应 4 和 5 有可能引发支链爆炸 但能否爆炸还取决于温度和压力 3 压力进一步上升 粒子浓度很高 有可能发生三分子碰撞而使活性物质销毁 如反应 6 8 也不发生爆炸 bc称为爆炸上限 4 压力继续升高至c以上 反应速率快 放热多 发生热爆炸 这就是爆炸的第三限 5 温度低于730K 无论压力如何变化 都不会爆炸 8 8气体反应的碰撞理论1 气体反应的碰撞理论 collisiontheory 理论要点 1 气体分子A和B必须通过碰撞才可能发生反应 2 只有碰撞动能大于或等于某临界能 或阈能 的活化碰撞才能发生反应 3 求出单位时间单位体积中分子间的碰撞数以及活化碰撞所占分数 即可导出速率方程 运动着的A分子和B分子 两者质心的投影落在直径为的圆截面之内 都有可能发生碰撞 称为有效碰撞直径 数值上等于A分子和B分子的半径之和 虚线圆的面积称为碰撞截面 collisioncrosssection 数值上等于 有效碰撞直径和碰撞截面 将A和B分子看作硬球 根据气体分子运动论 它们以一定角度相碰 相对速度为 碰撞数为 A与B分子碰撞数 分子互碰并不是每次都发生反应 只有相对平动能在连心线上的分量大于临界能的碰撞才是有效的 所以绝大部分的碰撞是无效的 要在碰撞频率项上乘以有效碰撞分数q 有效碰撞分数 速率方程 2 碰撞理论与阿伦尼乌斯方程的比较 碰撞频率因子 对比阿式 得到 将与T无关的物理量总称为B 实验活化能的定义 所以 反应阈能又称为反应临界能 两个分子相撞 相对动能在连心线上的分量必须大于一个临界值Ec 这种碰撞才有可能引发化学反应 这临界值Ec称为反应阈能 Ec值与温度无关 实验尚无法测定 而是从实验活化能Ea计算 反应阈能 thresholdenergyofreaction 8 9势能面与过渡状态理论 1 势能面 potentialenergysurface 对于反应 随着核间距rAB和rBC的变化 势能也随之改变 这些不同点在空间构成高低不平的曲面 称为势能面 如图所示 将三维势能面投影到平面上 就得到势能面的投影图 图中曲线是相同势能的投影 称为等势能线 线上数字表示等势能线的相对值 等势能线的密集度表示势能变化的陡度 图中R点是反应物BC分子的基态 随着A原子的靠近 势能沿着RT线升高 到达T点形成活化络合物 随着C原子的离去 势能沿着TP线下降 到P点是生成物AB分子的稳态 D点是完全离解为A B C原子时的势能 OEP一侧 是原子间的相斥能 也很高 在势能面上 活化络合物所处的位置T点称为马鞍点 该点的势能与反应物和生成物所处的稳定态能量R点和P点相比是最高点 但与坐标原点一侧和D点的势能相比又是最低点 马鞍点 saddlepoint 反应坐标是一个连续变化的参数 其每一个值都对应于沿反应体系中各原子的相对位置 如在势能面上 反应沿着acb的虚线进行 反应进程不同 各原子间相对位置也不同 体系的能量也不同 如以势能为纵坐标 反应坐标为横坐标 画出的图可以表示反应过程中体系势能的变化 这是一条势能最小的途径 也是可能性最大的途径 2 反应途径 3 活化配合物 过渡状态理论的基础是关于活化配合物或过渡状态的概念 它是介于反应物和产物之间的过渡状态 在这个状态下 原子间距离较正常化学键要大得多 所以它象正常分子一样能进行平动 转动和有限制的振动 但是 若在与此垂直方向 即在反应途径方向振动 则立即分解为原始的分子或产物分子 4 艾林 Eyring 方程 过渡状态理论认为 1 反应物分子要变成生成物分子 总要经过足够能量的碰撞先形成高势能的活化配合物 2 活化配合物可能分解为原始反应物 并迅速达到平衡 也可能分解为产物 3 活化配合物以单位时间 次的频率分解为产物 此速率即为该基元反应的速率 艾林方程 艾林方程简化形式 艾林方程式中 艾林方程的推导 5 艾林方程的热力学表示式 这是双分子反应的艾林方程热力学表示式 艾林方程也可用于单分子或三分子反应 以及溶液反应 但形式稍有差别 例题1 1 在定温300K的密闭容器中 发生如下气相反应 A g B g Y g 测知其速率方程为假定反应开始只有A g 和B g 初始体积比为1 1 初始总压力为200kPa 设反应进行到10min时 测得总压力为150kPa 则该反应在300K时的反应速率系 常 数为多少 再过10min时容器内总压力为多少 解 A g B g Y g t 0 pA 0pB 00t t pApBpA 0 pA则时间t时的总压力为pt pA pB pA 0 pA pB pA 0因为pA 0 pB 0符合化学计量系数比 所以pA pB则pt pA pA 0故pA pB pt pA 0 代入速率微分方程 得 积分上式 得 已知pt 0 200kPa pA 0 100kPa 即 代入t 10min时 pt 150kPa 得k 0 001kPa 1 min 1当t 20min时 可得pt 133kPa 2 等容气相反应A Y的速率系 常 数k与温度T具有如下关系式 1 计算此反应的活化能 2 欲使A在10min内转化率达到90 则反应温度应控制在多少 例题2 解 1 据Arrhenius公式 与经验式对比 得Ea 9622K R 80 0kJ mol 1 2 求T t 10min 转化率xA 0 9 3 N2O5气相分解反应N2O5 2NO2 1 2 O2的反应机理如下 N2O5NO2 NO3 NO2 NO3N2O5 NO2 NO3NO2 O2 NO NO NO3NO2 设NO3和NO处于稳定态 试建立总反应的动力学方程式 例题3 k2c NO2 c NO3 k3c NO c NO3 0 以上两式相减 得k1c N2O5 k 1 2k2 c NO2 c NO3 8 10溶液中反应 溶液中的溶质分子 也如同气体分子一样 须经碰撞才能发生反应 然而溶质分子是在溶剂分子的包围之中 因此 研究溶液中的溶质分子的反应 必须考虑反应组分与溶剂间的相互作用 以及它们在溶剂中扩散所产生的影响 1 溶剂对反应组分无明显相互作用的情况 1 笼蔽效应 cageeffect 溶液中的反应物分子由溶剂分子构筑起的笼所包围 反应物分子在笼中振动 平均停留时间约为10 12 10 8s 即约发生102 104次碰撞才能挤出旧笼 但立即又陷入一个相邻的新笼之中 称之为笼蔽效应 若两个溶质分子扩散到同一个笼中相互接触 则称为遭遇 encounter 表示反应物A和B扩散到一起而形成的遭遇对 扩散控制的反应 其总速率等于扩散速率 扩散速率可按扩散定律计算 扩散定律 溶液中每一个溶质分子向任一方向运动的概率都是相等的 但浓度高处单位体积中的分子数比浓度低处多 所以扩散方向总是同高浓度向低浓度 2 扩散控制 diffusioncontrol 的反应 菲克扩散第一定律 在一定温度下 单位时间扩散过截面积As的物质B的物质的量 比例于截面积As和浓度梯度的乘积 即 C大 C小 菲克 Fick 扩散第一定律 D 扩散系数 单位 对于球形粒子 粘度 球形粒子半径 称为爱因斯坦 斯托克斯方程 对两种半径为 A B 扩散系数为DA及DB的球形分子发生扩散控制的溶液反应 由扩散定律推导出该二级反应速率常数k为 静电因子 量纲为一 若无静电影响 当 代入 笼效应的总结果 对碰撞只起到分批作用 反应速度与气相反应相似 原因 溶剂无明显作用 对Ea影响不大 溶质分子扩散到同一笼子虽然慢 但一旦到了同一笼子中反复碰撞速度就快得多 因此 溶液中的一些二级反应的速率与按气体碰撞理论的计算相当接近 3 活化控制 activationcontrol 的反应 N2O5在不同溶剂中分解的速率常数 指前因子A及活化能 25 2 溶剂对反应速率的影响 i 溶剂物理性质的影响 产物极性 反应物极性 在极性溶剂中进行有利 ii 溶剂化的影响 活化络合物溶剂化强烈 活化络合物与反应物能量差小 则Ea小 对反应有利 3 离子强度对反应速率的影响 溶液中的离子强度会对离子反应产生一定的影响 加入电解质将改变离子强度 因而改变离子反应的速率 这叫做原盐效应 primarysalteffect 对于稀溶液可以导出速率常数与离子强度间的定量关系 多相反应大多数在相的界面上进行 其特征为 反应物必须向相的界面扩散 相界面大小和性质是影响多相反应的一个重要因素 界面越大或分散度越大则越有利于多相反应 8 11多相反应 8 12光化学 photochemistry 光化学研究的是在光的作用下进行的化学反应 光化反应 photochemicalreaction 举例 光化学反应 由于吸收光量子而引起的化学反应称为光化学反应 1 光与光化学反应的初级过程 次级过程和淬灭 例如 红橙黄绿蓝紫 1 431 611 721 892 132 38 m 1 700620580530470420nm 无线电波 3km3m30m3mm0 03mm300nm3nm3pm 微波 远红外 紫外x 射线 射线 近红外 可见光 电磁辐射波谱图 初级过程 反应物分子吸收光量子后 由基态被激发至激发态 次级过程 初级过程的产物还要进行一系列的过程称为次级过程 淬灭 激发态分子亦可通过分子间的传能 即分子与分子 分子与器壁的碰撞而无辐射地失活 称为淬灭 例A M A M淬灭使次级反应停止 激发态的分子或原子是很不稳定的 其寿命约为10 8s 若不与其他粒子碰撞 它就会自动地回到基态而放出光子 称为荧光 fluorescamine 切断光源 荧光立即消失 有的被照射物质 在切断光源后仍能继续发光 有时甚至延续长达若干秒或更长时间 这种光称为磷光 phosphorescence 荧光与磷光 有一些化学反应 它的反应物不能吸收某波长范围的光 所以不发生反应 但如果加入另外的分子 这种分子能吸收这种波长的光 受激后再通过碰撞把能量传给反应物分子 反应就能进行 这即为光敏反应 能起这种传递光能作用的物质叫光敏剂 photosensitizer 光敏反应 Hg T H S0 Hg S0 H 如由Hg与H 反应 所用光敏剂为汞蒸气 当它吸收波长为254nm的辐射光后 把能量传给氢分子 使之活化并解离 反应以链反应机理进行 2 光化学定律 光化学第一定律 只有被系统吸收的光才可能产生光化学反应 光化学第二定律 在初级过程中 一个光量子活化一个分子 光化学的量子效率和量子产率 为了衡量一个光量子引致指定物理或化学过程的效率 在光化学中定义了量子效率 quantumefficiency 多数光化学反应的量子效率不等于1 1 是由于在初级过程中虽然只活化了一个反应物分子 但活化后的分子还可以进行次级过程 如反应 初级过程是 次级过程则为 总的效果是每个光量子分解了两个HI分子 故 2 1 当分子在初级过程吸收光量子之后 处于激发态的高能分子有一部分还未来得及反应便发生分子内的物理过程或分子间的传能过程而失去活性 又如 初级过程是 表示激发态分子 而次级过程则是链反应 因此可以大到 由于受化学反应式中计量系数的影响 量子效率与量子产率的值有可能不等 例如 下列反应的量子效率为2 量子产率却为1 2HBr hn H2 Br2 量子产率 quantumyield 本课件中使用量子效率 设光化反应 其机理如下 活化 初级过程 3 光化反应的机理与速率方程 初级过程的速率仅取决于吸收光子的速率 即正比于吸收光的强度Ia 对A2为零级 由稳态法 由 步反应可知 一个吸收一个光子可生成2个A 故此反应 吸收光的强度 表示单位时间 单位体积内吸收光子的物质的量 初级光吸收过程与温度无关 次级过程具有热反应的特征 与一般反应无异 其温度系数取决于活化能的大小 热反应温度系数 由于光化学反应的活化能通常很小 故其温度系数也通常很小 特殊的 有温度系数较大或小于1的情况 而由下式解释 4 温度对光化反应速率的影响 设所测的速率常数 可见 虽然Ea较小 但 U较大 T k 较多 温度系数较大 T 温度系数 1 例 5 光化平衡 对反应 双蒽生成速率 双蒽分解速率 平衡 故 反应达平衡后 与A的浓度无关 通常的平衡概念对光化学平衡是不适用的 催化剂 catalyst 存在少量就能显著加速反应而本身最后并无损耗的物质 催化作用 catalysis 催化剂显著加速反应的作用 自催化作用 autocatalysis 反应产物之一对反应本身起的催化作用 8 13催化作用的通性1 引言 i 均相催化反应物 产物及催化剂都处于同一相内 即为均相催化 有气相均相催化 如 NO即为气体催化剂 它与反应物及产物处同一相内 是以H SO4为催化剂 反应在水溶液中进行 也有液相均相催化如蔗糖水解反应 ii 多相催化 催化剂为固相 反应物及产物均为气相 这种气 固相催化反应的应用最为普遍 此外还有气 液相 液 固相 气 液 固三相的多相催化反应 反应物 产物及催化剂可在不同的相内 有气 固相催化 如合成氨反应 催化剂参与催化反应 但反应终了时 催化剂的化学性质和数量都不改变 催化剂不能改变反应的平衡规律 方向与限度 ii 由 rGmy T RTlnKy T 可知 由于催化剂不能改变 rGmy T 所以也就不能改变反应的标准平衡常数 i 对 rGm T p 0的反应 加入催化剂也不能促使其发生 2 催化作用的基本特征 iii 催化剂不能改变反应的平衡 而Kc k1 k 1 所以催化剂加快正逆反应的速率系数k1及k 1的倍数必然相同 催化剂参与了化学反应为反应开僻了一条新途径 与原途径同时进行 i 催化剂参与了化学反应 K为催化剂A K AKAK B AB K iii 新途径降低了活化能 如图所示 新途径中两步反应的活化能E E2与无催化剂参与的原途径活化能Ea比 E Ea E2 Ea 个别能量高的活化分子仍可按原途径进行反应 ii 开辟了新途径 与原途径同时进行 催化剂具有选择性 催化剂的选择性有两方面含义 其一是不同类型的反应需用不同的催化剂 例如氧化反应和脱氢反应的催化剂则是不同类型的 即使同一类型的反应通常催化剂也不同 如SO 的氧化用V2O5作催化剂 而乙烯氧化却用Ag作催化剂 其二 对同样的反应物选择不同的催化剂可得到不同的产物 例如乙醇转化 在不同催化剂作用下可制取25种产品 机理 快速 慢 3 催化反应的一般机理及速率常数 表观频率因子 表观活化能 注意 那些不易与反应物作用或虽能作用将生成稳定性中间化合物的物质不易作催化剂 活化能相差不大 但速度变化很大的原因多是表观频率因子相差悬殊所至 4 催化反应的活化能 活化能与反应途径 E1 EaE2 Ea 多数具有连锁反应机理 生成了中间化合物 改变了反应途径 活化能降低 8 14单相催化反应1 气相催化 酸催化的一般机理 反应物S接受质子H 首先形成质子化物SH 然后不稳定的SH 再放出H 而生成产物 如 机理 2 酸碱催化 碱催化的一般机理 首先碱接爱反应物的质子 然后生成产物 碱复原 如 凡能给出质子或接受质子 H 的物质都有这种催化作用 机理 络合催化 就是指以过渡金属化合物为主体的催化剂能与反应物起络合反应形成不稳定的络合物 使反应易于进行的一切过程 特点 具有显者的高选择性 高活性 适用于缓和条件 低T p 下操作 3 络合催化 使乙烯直接氧化成乙醛的反应 是典型的络合催化反应 i C2H4 PdCl2 H2O CH3CHO Pd 2HCl ii 2CuCl2 Pd 2CuCl PdCl2 iii 2CuCl 2HCl 1 2 O2 2CuCl2 H2O 总包反应为C2H4 1 2 2 CH3CHO 反应机理 PdCl2在盐酸溶液中实际以络合阴离子 PdCl4 2的形式存在 PdCl2 2Cl PdCl4 2 乙烯引入溶液中与络合阴离子形成 络合物交换出一个Cl 络合物立即水解 又交换出一个Cl C2H4PdCl3 H2O C2H4PdCl2 H2O Cl 配位体中的H2O放出质子 C2H4PdCl2 H2O H2O C2H4PdCl2 OH H3O 被络合的OH 向被络合的C2H4中的C进攻 亲核进攻 使络离子内部重排形成不稳定中间络离子 最后解体生成产物 酶是动植物和微生物产生的具有催化能力的蛋白质 酶的活性很高 选择性也极高 酶的催化功能非常专一 作用条件温和 本节将讨论酶催化反应的动力学规律 主要讨论单一底物 只有一种底物 的酶催化反应动力学 对单一底物的酶催化反应 其反应机理可表示为 4 酶催化 由上述机理 根据质量作用定律 产物P的增长速率可表示为 式中为中间物X X ES 的物质的量浓度 根据前述机理及质量作用定律 有 对中间物X应用稳态近似法 有 又 联合二式 得 令叫米凯利斯 Michaelis