工科大学化学结课感悟.doc

我对化学反应速率的认识摘要：本文简单论述了化学反应速率的定义和表示，详细说明了影响化学反应速率的因素以及如何影响反应速率，并重点介绍了新时期加快化学反应速率的新方法：将等离子体或微波在合适的时候注入化学反应过程中将对反应速率及其产物产生很大影响。关键词：化学反应; 速率; 影响因素; 等离子体; 微波化学。 要控制化学反应，使其向人们所期望的那样发生变化，涉及两个方面的课题：第一，在一定条件下化学反应能否发生？终点如何？即反应的方向和限度化学平衡问题；第二，反应进行的快慢反应速率问题。前者属于化学热力学的研究范畴，后者属于化学动力学的内容。化学动力学是化学的一个重要组成部分 , 但是人们对它的认识与对化学热力学相比 , 明显要逊色许多。有人甚至认为它 “ 显得无足轻重 ”。此话虽有点偏颇 , 但也反映了化学动力学相对滞后的现象。也有人曾客观地说 “ 化学动力学理论颇有进步 , 但尚未成熟 ” 2 此话现在仍未过时。一化学反应速率的表示化学反应速率过去定义为浓度随时间的变化率，因使用不便，目前定义为：单位体积的反应系统中，反应进度随时间的变化率，用符号 表示。化学反应速率的定义式为:Dc(B)1d def = = 3 B Vdt dt即用单位时间体积内化学反应进度来定义反应速率。二 化学反应速率的重要性1.化学反应速率在生产生活中的地位化学反应速率与我们的生活息息相关。比如从热力学角度考虑能自发进行而且推动力很大，反应完全可以，但是由于化学反应速率太慢以至于到了不可察觉的地步。再比如，在合成氨的反应过程中，提高温度对反应的产率是不利的，但是实际生产中还是要中600下进行，因为适当的提高温度有助于加快化学反应速率。以上两个例子表明人们想提高化学反应速率，然而在有些情况下人们是希望化学反应的速率越慢越好的，比如金属材料中使用过程中不可避免的要发生腐蚀，估计世界上每年由于金属腐蚀而造成的经济损失约占国民经济总产值的3%4%，我国每年因金属腐蚀造成的经济损失至少达300亿元。对于人类本身的生命来说，其实生命体的衰老也是因为体内进行着各种各样的氧化还原反应，如果通过能够降低机体内化学反应速率的话，人类寿命的延长将会实现。2.化学动力学在考古中的应用如何较准确地测定考古挖掘物的年代，是考古学家们需要解决的重要课题，自20世纪中叶以来，科学家用放射性碳测定年代的技术解决了这一问题。三影响化学反应速率的因素1.浓度对化学反应速率的影响气体反应或溶液中的反应时，着其他条件不变的情况下, 增加反应物的浓度, 可增大化学反应速率,减少反应物的浓度,可减小化学反应速率。增加反应物的浓度单位体积所含活化分子数增加有效碰撞次数增多化学反应速率变大。反之,化学反应速率减小。另外，对于气体参与的反应，压强影响反应速率是通过改变反应物浓度实现的。2.温度对化学反应速率的影响其他条件不变时, 升高温度可增大化学反应的速率, 降低温度可减小化学反应的速率。实验测得, 温度每升高10, 化学反应速率通常增大到原来的24 倍。在浓度一定时, 升高温度( 反应物分子的能量增加, 使一部分原来能量较低的分子变成活化分子) 反应物分子中活化分子的百分数增加有效碰撞次数增多化学反应速率变大。3.催化剂对化学反应速率的影响能加快反应速率的催化剂叫正催化剂, 能减慢反应速率的催化剂叫负催化剂。如果不特别说明, 一般指的是正催化剂。当其他条件不变时, 使用催化剂能降低化学反应所需的能量, 使更多的反应物分子成为活化分子, 大大增加单位体积内活化分子的百分数, 因此化学反应速率变大4。4.其他外因对化学反应速率的影响光和热一样，可以提供产生化学反应所必须的活化能。要使分子活化，必须有适当频率和足够能量原辐射线被吸收。辐射能量单位称光子，光子的能量相当于一个量子。光子的能量与吸收到的辐射能的频率成正比波长成反比，所以光线的波长愈短，则反应物吸收到的能量就愈大。某些物质的氧化一还原，环重排或环改变，联合、水解等反应，在特殊波长的作用下都可能发生或加速除了光照因素外，增大一定量固体的表面积(如粉碎), 也可增大反应速率;此外, 电磁波、超声波、溶剂等对反应速率也有影响。四新时期提高化学反应速率的新方法1.非平衡等离子体强化燃烧非平衡等离子体燃烧强化是在气体燃料或者可燃混合气中进行放电，利用产生的非平衡等离子体的化学活性提高燃料的点火性能及燃烧特性的技术。其实质是等离子体中高能电子与中性分子的碰撞，常常会引起分子的离解、激发甚至电离，产生大量的活性原子、基团，从而影响燃烧系统的化学平衡，加速燃烧的化学动力学过程。非平衡等离子体的燃烧强化是等离子体技术的一种新应用途径。它应用于航天航空发动机应用领域，也用在工业生产中广泛使用的内燃机技术领域。现代内燃机广泛采用稀薄燃烧技术踟，稀薄燃烧条件下实际空燃比大于理论空燃比，可提高内燃机的燃油经济性，同时大幅降低N0：、HC和CO的排放。采用传统的火花塞点火很难可靠、快速地引燃燃烧室里的可燃混合气，对于处在稀燃失火下限附近的混合气很容易出现熄火现象。非平衡等离子体点火具有实现稀薄混合气可靠、高效点火和快速燃烧的潜力。在炼铁方面，等离子体温度高, 能量集中, 是一种有前途的冶金能源。近几年在冶金生产中的应用逐步引起人们的重视，高炉风口采用等离子可加大喷煤量, 是大幅度降低焦比, 改变炼铁炉料结构的一项新工艺8。2微波化学微波化学是微波理论与技术同化学结合的产物, 其目的是利用微波来加速化学反应速度和获得具有独特性质的产物。微波化学的基本原理是利用微波进行介质加热, 改变化学键, 改变反应的活化能以加速化学反应速度或使一些新的化学反应得以发生, 从而获得新的产物。目前微波在化学领域中的应用主要涉及两个方面。一是利用微波加快化学反应速度, 二是利用微波改变反应机制, 得到具有独特性质的化学产物6。我们知道化学反应的速率可用阿伦尼乌斯方程来描述, 即 k = Aexp(-Ea / RT) 1 式中k为反应速率, A为指前因子,Ea为反应活化能, R为气体常数, T为绝对温度。微波能提高化学反应速度的原理在于微波能对反应物进行选择性地加热和改变反应的活化能。 近年来, 微波技术在化学各领域尤其有机合成化学方面取得了很大的成功, 与传统方法相比, 采用微波辐射可以成百上千倍地提高反应速率, 并且操作方便、易于控制。实验室工作一般采用经改装的家用微波炉, 微波频率为2450MHz , 输出功率数百瓦左右。 五结论可见，化学反应速率关系到生活的方方面面，随着时代和科学技术的进步发展，人们对反应速率的认识更加的深入，为了迎合生产生活的需要，在对化学反应速率的控制方面有了长足的进步，然而，也相应的存在着很多未解之谜。从非平衡等离子体加速燃烧和微波化学这些方面可以看到，化学动力学与物理学的结合使化学有了更广阔的天地。参考文献1 强亮生,徐嵩泉.工科大学化学（第二版）.高等教育出版社.2009.(04)2 黄子卿. 物理化学 M . 北京: 高等教育出版社 ,1965: 307, 342 .3 大连理工大学无机化学教研室，无机化学，高等教育出版社，2006.54 张德生. 浅谈影响化学反应速率常数的因素J. 安庆师范学院学报(自然科学版), 1999,(01)5 夏胜国,何俊佳. 非平衡等离子体燃烧强化J. 高电