化学反应原理.ppt

第一章化学反应一般原理 化学反应所涉及的问题包括 反应判据 反应限度 反应速度 反应机理 属于化学热力学范畴 属于化学动力学范畴 本章主要从反应能量变化的研究开始 讨论反应的方向和限度 然后再考虑反应的快慢 仅涉及一些基本知识和思考的方法 重点在于实际应用 热力学简介它是研究能量转换过程中所遵循规律的一门学科 于19世纪中叶 蒸汽机的发明和应用 研究热和机械功之间的转换关系形成 后来研究范围推广到各种能量之间的相互转换中 特点 1 基础是两个经验定律 2 结论具有统计意义 是讨论大量质点的平均行为 不涉及物质的微观结构和过程机理 局限性 不能讨论过程如何进行和进行的快慢 结论不能说明过程进行的机理和快慢 热力学一些专门术语体系 系统 研究对象 环境 与体系紧密联系的部分 体系分类 敞开体系 封闭体系和隔离 孤立 体系状态 体系不再随时间变化的情形 平衡态 状态函数 描述体系状态性质的函数 物理量 状态函数特征 状态一定值一定 殊途同归变化等 周而复始变化零 热量 发生变化时 体系与环境之间因温差传递的能量形式 它与变化相关联 规定 体系从环境吸热为正 功 除热以外的其他能量传递形式 规定环境对体系做功为正 内能 体系内部能量总和 热力学能 热力学第一定律 能量守恒即 Q U W 能量最低原理与自然现象1 1自发过程一定条件下 无需外力作用能自动进行的过程 自发 不含 快速 之意 非自发 不等于 不可能 第一节化学反应方向可逆反应在某条件下 反应方向如何判断 1 2化学反应热效应 反应焓变1 反应热一定温度下 只对抗外压作膨胀功时 反应吸收或放出的热量 恒容反应热QV U恒压反应热QP H2 焓 H 新物理量物质的又一种能量形式 H U PV如何理解QP H 恒温恒压下 反应物 产物各自有不同的焓 当反应物的焓比产物的焓高时 由反应物转变为产物 就要释放出那多余的部分 H 以热量的形式释放 H H产物 H反应物 H 0QP 0吸热 H 0QP 0放热HN2 3H2H H2NH3 3 Hess定律反应一步完成的热效应等于分步进行的各步热效应之和 反应的热效应只与始终态有关 与变化途径无关 小结 条件相同的反应或聚集状态相同的同种物质才能相消或合并 反应式乘 或除 以某数 相应的热效应也要同乘 除 以该数 4 热化学方程式 H 表示反应热 思考 中学的热化学方程式与用 H 表示的热化学方程式有何差异 H 的单位为KJ mol mol 1表示什么 对同一反应 反应是书写不同 H 值有无变化 代表是么 5 标准态 物质状态的参比基准线规定 标准压强下物质的确切聚集状态 注 对温度没有规定 比较 气体标准状态 说明 气体的标准态 P 1 013 105 溶液中溶质的标准态 标准压强下 溶质的浓度为1mol L 即C 1mol L 液体和固体的标准态 P 下的纯物质 6 反应热的计算 原则 Hess定律 问题 能否通过较少的实验数据获得任意化学反应的热效应 分析 反应A B C D H H 产物 H 反应物绝对法难确定 H 可用相对法解决 标准生成焓 fHm 定义 温度T 标态时 由指定单质生成1mol某物质 以化学式表示 的焓变 说明 指定单质 多为元素的最稳定单质 状态亦指定 生成反应 指定单质反应生成1mol生成物的过程 推论 指定单质 fHm 0 fHm 非绝对值熟悉元素的指定单质 物质的生成过程 H Na K C O N F Cl Br I写出生成过程 CO2 MgO KBr NaI 问题 已知物质的 fHm 如何计算反应的 H 设计 思路 过程 由各指定单质直接生成产物 过程 由各指定单质先生成反应物 然后反应物再转化为产物必有 过程 热效应 过程 热效应 公式 H fHm 产物 fHm 反应物 1 3标准态时反应的方向 许多放热反应为自发过程 如 3Fe s 2O2 g Fe3O4 s H 1120KJ2H2 O2 2H2O g H 483 6KJ但有些吸热过程也能自发进行 如 常温常压下H2CO3 aq H2O CO2 g 该反应 H 19 3KJ 但自发进行 为什么 仔细考察这类过程有共同的特点 混乱程度增大 所以 体系的混乱度也对过程的方向有影响 有序到无序利于自发 反之不利于自发 1 熵 S 表征体系组成微粒分布混乱程度的函数 S值越大 混乱度越大 有序性越差 规律 熵值 固体 液体 气体 混合物 纯净物 S随温度升高增大热力学第三定律 各种纯化学物质的最完整晶体 在0K时熵值为零粒子的热运动完全停止 内部排列达到最有序程度 即S0K 0设 A0K ATK S ST S0 STST为绝对值 称绝对熵 2 标准熵 定义 1mol纯物质在标准态时的熵值 ST 单位 J mol 1 K 1 比较 fH 与ST ST 为绝对值 fH 为相对值 指定单质 fH 0 而ST 0 3 S 计算与 H 计算原则 方法一样 S S 产物 S 反应物 分析 前述自发吸热过程都是 S 0故自发过程的方向受两大因素制约 S H 小结 H 0 S 0自发 H 0 S 0 非自发 H 0 S 0 H 0 S 0 美 Gibbs提出 恒温恒压下 H和 S可综合成一个新的函数变量 记为 G称Gibbs自由能变量 关系 G H T S G H T S 4 自由能G 又一新能量形式 意义不讨论 最小自由能原理 恒温恒压下 G 0自发 G 0非自发 G 0标态自发 G 0标态非自发由关系 G H T S 假设 H S 不随温度变化 可估计自发反应进行的温度范围 G 计算 与 H 相似 由 fG 标准生成自由能计算 由 G H T S 计算本节小结 介绍了化学热力学的初步知识 主要讨论了焓 熵 自由能等状态函数 其意义不深究 解决了反应方向的判据 重点在于应用 G H S 计算 用 G 判断自发反应方向 例1 据美国 化学及工程新闻 报道 在常温常压下 利用某种催化剂由水与氮气反应制取氨 设想可能是下列反应吗 2N2 g 6H2O l 4NH3 g 3O2 g fHm 0 286 460ST 19170192205例2 能否用下列反应合成酒精 4CO2 g 6H2O l 2C2H5OH l 7O2 g fHm 393 286 2780ST 21470161205 第二节反应限度化学平衡 反应方向确定后 反应进行到什么程度才停止呢 2 1反应限度的判据1 能量判据 分析 恒温恒压下 根据最小自由能原理 反应之所以自发进行 是因为 G 0 随着反应进行 必有 G产增大 G反降低 故有 G 0趋势 当 G 0时 反应失去推动力 宏观上反应 不再进行 即自发反应进行到 G 0而 停止 反应限度的能量判据 G 0 比较 高中知识对可逆反应 最终有 正 逆 正反应单位时间内消耗的反应物必然为逆反应所补偿 宏观上各组分的量不再随时间而变 达到化学平衡 正 逆为反应限度的质量判据 2 化学平衡 反应的限度恒温恒压下 反应达到 正 逆或 G 0时的状态化学平衡建立的条件 恒温恒压 正 逆 G 0平衡建立的标志 各组分的数量不再随时间而变 化学平衡的特征 定性 动态平衡 是恒温恒压封闭体系中可逆反应进行的最大限度或最终状态 问题 化学平衡的定量特征 平衡组成之间的关系 3 化学平衡定律 活度商 反应商 Qi反应aA bB cC dD Van tHoff恒温方程式 G Go RTlnQi平衡时 G 0 Go RTln Qi 平 分析 该式将反应的标准自由能变与平衡时各物质的组成关系联系起来了 式中 R T Go均为常数 Qi 平必为常数 写为Ko 平衡常数 质量作用定律一定温度下 反应达到平衡 产物浓度以反应方程式计量系数为乘幂的乘积与反应物浓度以计量系数为乘幂的乘积之比为常数 一定温度下 每个平衡反应都有它自己特征的平衡常数 这是化学平衡的定量特征 Ko的性质 意义 性质 它仅为温度的函数 与浓度无关 不随平衡组成而变 与达到平衡的途径无关 意义 反应了平衡混合物中产物所占的相对比例 它很好的反映出反应进行的程度 表明了一定温度下反应平衡的条件 Q Ko平衡Q Ko反应自右向左进行Q Ko反应自左向右进行Ko与Q异同 都对应相同的反应式 但Q为任意态下的值 ko为平衡时的值 平衡常数的表示法及书写规则思考 合成氨反应在500 时的平衡常数为0 0001 说法 2 2多重平衡规则 K的组合 一定温度下 若反应可表示为多个分反应之和或差 则该反应平衡常数等于各分反应平衡常数之积或商 即平衡常数与达到平衡的途径无关 分析 Go RTlnKo若 总反应 反应1 反应2 Go总 Go1 Go2 RTlnKo RTlnKo1 RTlnKo2 KO KO1 KO2 注 各反应必须是同一温度 各物质集聚状态相同才能组合 2 3应用 平衡计算 内容 ko的确定及平衡组成的有关计算1 K的确定 根据 Go RTlnKo 多重平衡规则 实验测定2 计算平衡组成平衡转化率 简称转化率平衡时已转化的某反应物的量与转化前该物质的量之比 还有离解率 分解率之说它也反映了反应进行的程度 例 已知反应CO2 g H2 g CO g H2O g T 1473K时Kc 2 3 求 当CO2 H2起始浓度均为0 01mol L 当CO2起始浓度为0 01mol L H2起始浓度为0 02mol L两种情况下 CO2的转化率 小结 K和转化率都可表示反应进行的程度 但转化率与反应物起始浓度和反应温度有关 K而仅为温度的函数注意解题步骤 补充题 已知水煤气反应在1000K时K0 1 0 若密闭反应罐中通入1 013 105Pa水汽与足量的红炭反应 求平衡时各气体的压力和水汽的转化率 2 4平衡移动 化学平衡为动态平衡 当改变平衡条件 使 G 0 平衡被破坏 平衡移动 反应从旧平衡点转变到新平衡点的过程浓度 压力 温度等因素都可使平衡发生移动 分析 G Go RTlnQi且 Go RTlnK RTlnk RTlnQi RTln Qi K 讨论 恒温下当Qi K G 0正向移动至Qi KQi K G 0 平衡不移动Qi K G 0 逆向移动至Qi K 仅改变温度 旧平衡T1Qi K1改变温度至T2Qi K2平衡被破坏移动至Qi K2关键是K如何改变1 浓度的影响 定量计算 例CO H2O CO2 H2T 1073K 密闭容器中2molCO和H2O混合 平衡时CO转化率为50 若再加入3molH2O 问平衡能否维持 新平衡时CO的转化率为多少 实际应用 利用廉价原料或不断移走产物 以提高某反应物的转化率 2 压力的影响 定性 改变压力 可导致体积的变化 而影响化学平衡 较复杂 对无气体参与的固液反应体系 几乎无影响 对有气体参加的反应压力的变化 可能有影响 分析 反应aA g bB g cC g dD g 平衡时 PV nRT仅改变体积P V 1若改变体积为原来的m倍 则P P m 1 改变体积为原来的m倍 则总压及各物质均为旧平衡的m 1倍 则 Qp Kp 1 m c d a b 令 n c d a b Kp 1 m n 讨论 若 n 0反应前后气体分子数无变化 改变体积Qp Kp不影响平衡 若 n 0当 n 00 m 1即总压增大 Qp Kp逆向移动m 1即总压减小 Qp Kp正向移动当 n 00 m 1即总压增大 Qp Kp正向移动m 1即总压减小 Qp Kp逆向移动 3 温度的影响K是温度的函数 改变温度 K变 平衡被破坏 分析 Go RTlnK Go Ho T So若忽略温度对 Ho和 So的影响处理 lnK So R Ho RT讨论 4 催化剂对化学平衡的影响 结论 催化剂只改变反应速度 对已达到平衡的反应 加入催化剂 同等程度改变正逆反应速度 故对平衡无影响 即催化剂不能改变平衡状态 总结 Le Chatelier原理改变影响平衡的某一因素 平衡就沿着减弱这种影响的方向移动 直至新平衡 第三节化学反应速度 计算常温反应2H2 O2 2H2O l 的平衡常数 思考 该条件实际反应情况与反应趋势 说明 反应速度与热力学之间没有直接的联系 3 1反应速度的表示1 定义 一定条件下 反应物转变为产物的快慢 2 表示 单位时间某物质的浓度变化 注意 可用不同物质的浓度变化表示反应速度 其数值不一定相等 但意义相同 有关系 单位 mol L s对大多数反应 物质浓度随时间的变化不是呈线性关系故有平均速度和瞬时速度之分 3 速度测定 平均速度 瞬时速度 实验测定物质浓度随时间变化的数据 处理曲线某点切线的斜率 问题 为什么反应速度千差万别 3 2速度理论简介 碰撞理论要点 反应进行的先决条件 分子相互碰撞 有效碰撞 发生反应的碰撞 活化分子 发生有效碰撞的分子 它比一般分子的能量高 一定条件下 分子能量分布一定 活化能 活化分子具有的平均能量与反应物分子的平均能量之差 Ea 意义 由反应物转变为产物所要逾越的 能量障碍 活化能越大 反应逾越的能量障碍越大 反应速度越小 如反应N2 3H2 2NH3 Ho 92 38KJ mol Go 33 28KJ molEa 326KJ mol所要逾越的 能量障碍 很大 常温常压自发 但Ea高 活化分子数少 速度极小 根据碰撞理论讨论 增大反应速度措施 增大单位时间内分子碰撞总数 增大碰撞总数中有效碰撞的百分数 3 3影响反应速度的外部因素浓度 压强 温度 催化剂一 浓度 压强 的影响 定性分析 浓度 压强 增大 单位时间内分子碰撞总数增多 有效碰撞增加 速度增大 定量处理速率方程式 反应物浓度与反应速度的数学关系式 反应aA g bB g cC g dD g V CA CB kCA CB 说明 k为比例常数 称速率常数 为反应分级数 为反应总级数反应级数 反映了浓度 压力 对速度的影响程度 速率常数的意义和性质 分析 当反应物浓度均为单位1时V k 一定温度下 k值只取决于反应本性 不同反应k不同 k反映V的内因 k值不随浓度 压力而变 与温度 催化剂有关 k单位与反应级数有关 强调 反应级数与反应计量系数并非一回事 不一定相符合 反应级数是实验值 可为整数 分数 小数 所以对一般反应 级数不能直接从计量系数导出 要深入了解浓度对反应速度的影响 必须涉及反应经历的具体历程 本课程不讨论 二 温度的影响升高温度 加速反应 早就被人所知 定性分析 浓度不变 分子总数不变 温度升高 部分分子获得能量 变成活化分子 即活化分子百分数增加 有效碰撞增加 反应速度加快 定量 Arrhenuis公式 k A Ea RT 或 nk nA Ea RT A 常数 称频率因子或指前因子Ea 实验活化能R 气体常数表明 k与T呈指数变化关系 T微小的变化 k就有较大变化 计算时注意单位换算 思考 对不同反应 k随温度的变化规律 三 催化剂的影响 概念 改变反应