无机化学2-化学反应速率2影响因素.ppt

第三节影响化学反应速率的因素 1浓度对化学反应速率的影响 2温度对化学反应速度的影响 3催化剂对反应速度的影响 4其它因素对反应速度的影响 影响化学反应速率的因素首先是反应物的本性 反应物的性质对化学反应的速率起决定性作用 其次 还受到外界条件如浓度 温度 压力 催化剂等因素的影响 除本身性质外 受到浓度温度 压力 催化剂影响 1浓度对化学反应速率的影响 实验证明 一定温度下 增加反应物的浓度可以增大反应的速率 其原因是增大反应物浓度 单位体积内活化分子的数目增多 从而增加了单位时间内反应物分子的有效碰撞频率 故导致反应速率增大 增大反应物浓度 反应速率增大 1浓度对化学反应速率的影响 一 反应物浓度和反应速率的关系基元反应 反应物分子在有效碰撞中一步直接转化为产物分子的反应 又称简单反应 如 1 SO2Cl2 SO2 Cl2 2 NO2 CO NO CO2 3 2NO2 2NO O2 一般基元反应很少 常见的基元反应有单分子 双分子的 很少有三分子的 四分子反应目前尚未发现 1浓度对化学反应速率的影响 非基元反应 经若干基元反应步骤才能由反应物分子转化为产物分子的反应称为复杂反应或非基元反应 如 1 H2 I2 2HI 2 H2 Br2 2HBr 3 H2 Cl2 2HCl 一个反应是基元反应还是复杂反应 需要通过实验研究来确定 由反应方程式不能确定 二 浓度对反应速率的影响一定温度下 反应物浓度越大 反应速率越快 反之 浓度越低 反应速率越慢 实验证明 对基元反应 其反应速率与反应物浓度以其计量数为指数的幂的乘积成正比 这称为质量作用定律 1浓度对化学反应速率的影响 例如 如下基元反应 SO2Cl2 SO2 Cl2v k1 SO2Cl2 NO2 CO NO CO2v k2 NO2 CO 2NO2 2NO O2v k3 NO2 2 V 为反应速率 k 为反应的速率常数 指给定温度下 单位浓度时的反应速率 或c 表示的是相应反应物的浓度 1浓度对化学反应速率的影响 对一般基元反应 aA bB gG hH其速率方程为 v k A a B b 在基元反应中 反应速率与物质的量浓度的计量系数次方的乘积成正比 也称为动力学方程 在相同条件下 可以通过比较不同反应的k值 大致确定反应速率的快慢 k越大 反应速率越大 K是化学反应的本性 在恒温条件下 反应速率常数k不因反应物浓度的改变而改变 温度变化时 k随温度变化而变化 k可通过实验来测定 温度一定 k值一定 对于基元反应 则 即 质量作用定律不能直接应用于非基元反应 但能应用 于构成该非基元反应的每一个具体步骤 基元反应 对于 非基元反应 则 质量作用定律 基元反应的化学反应速率与反应物浓度以其计量数为指数的幂的连乘积成正比 复杂反应 由两个或多个基元步骤完成的反应 例 A2 B A2B第一步 A2 2A 慢反应 第二步 2A B A2B 快反应 复杂反应的反应速率是由最慢的一个基元步骤决定 故 v k A2 复杂反应的反应的速率方程只有通过实验确定 例如 2H2 2NO 2H2O N2v k H2 NO 2 而不是v k H2 2 NO 2 表述动力学方程时注意 1 溶剂参与反应 不标出溶剂浓度 2 固体物质参与反应 其浓度看作常数 3 气态物质参与反应 可用分压来代替浓度 如v kp O2 等 溶剂和固体参与反应 其浓度可视为常数 可不必在动力学方程中标出 反应分子数基元反应或复杂反应的基元步骤中发生反应所需要的微粒 分子 原子 离子或自由基 数目 例如 单分子 SO2Cl2分解 SO2Cl2 SO2 Cl2双分子 NO2分解 2NO2 2NO O2三分子 H2 2I 2HI反应级数 用n表示 称为n级反应 反应速率方程中各反应物浓度的指数之和称为反应级数 基元反应的级数等于反应式中反应物数量之和 和反应分子数相等 三 反应分子数和反应级数 实验测得速率方程式为 则m称为反应物A的分级数 n称为反应物B的分级数 m n 为反应的级数 对于基元反应m a n b m n a b 且a b均为简单整数 基元反应的级数为正整数 非基元反应的级数可能不是正整数 如反应 例如 SO2Cl2 SO2 Cl2v k1 SO2Cl2 一级反应NO2 CO NO CO2v k2 NO2 CO 二级反应2NO2 2NO O2v k3 NO2 二级反应 2 例1 基元反应CO g NO2 g CO2 g NO g V k CO NO2 对CO 1级反应 对NO2 1级反应 该反应为2级反应 2级反应k量纲 mol 1 dm3 s 1 对于基元反应 m a n b m n a b 且a b均为简单整数 对S2O82 1级反应 对I 为1级反应 该反应为2级反应 例3 H2 g Cl2 g 2HCl g v k H2 Cl2 1 2 链式反应机理 对H2 1级反应 对Cl2 1 2级反应反应为3 2级反应 例4 2Na s 2H2O l 2NaOH aq H2 g v k Na 0 k0级反应 反应速率与反应物浓度无关 注意 非基元反应不能仅由化学反应方程 而应由实验确定反应级数 如 H2 I2 2HI 反应分子数只能是1 2 3等整数 反应级数可为0和分数 如 2Na H2O 2NaOH H2 v k 如 H2 Cl2 2HCl v k H2 Cl2 1 2 速率方程较复杂 不属v k A m B n形式的反应 无所谓反应级数 如 H2 Br2 2HBr v H2 k H2 Br2 1 2 1 k HBr Br2 反应速度方程 可为研究反应机理提供线索 如 C2H4Br2 3KI C2H4 2KBr KI3 v k C2H4Br2 KI 四 浓度影响反应速率的应用 1 由反应物浓度及反应速率可确定 测知 反应级数 并可通过改变反应物浓度比例达到所需要的反应速率 2 根据实验数据可确定反应的速率方程 例题 P13例2 1略 确定反应速率方程和反应级数 2温度对化学反应速度的影响 1 实验现象 温度每升高10K 反应速率大约提高二到三倍 无论吸热还是放热反应 温度升高 反应速率都加快 温度升高 一般k也增大 但k T不是线性关系 2 Arrhenius关系 阿伦尼乌斯公式 1889年 Arrhenius总结了大量实验事实 得出 Ea为反应活化能 A为 指前因子 或 频率因子 在一般温度范围内活化能Ea和指前因子A均不随温度改变 例 把T1 k1和T2 k2分别代入 式 相减得 据此可以求出Ea 已知不同温度下的速率常数 也可求出Ea 根据上式可知 已知一个温度下的速率常数 可求出另一温度下的速率常数 应用 例2 2 2 3 利用Arrhenius方程进行有关计算 求k Ea v等 在k Aexp Ea RT Ea处于指数项 对k有显著影响 在室温下 Ea每增加4kJ mol 1 k值降低约80 根据对同一反应 升高相同温度 在高温区值增加较少 在低温区增加较多 因此对于原本反应温度不高的反应 可采用升温的方法提高反应速率 对不同反应 升高相同温度 Ea大的反应k增大的倍数多 因此升高温度对反应慢的反应加速明显 Arrhenius方程的应用 3催化剂对化学反应速率的影响 1 催化剂和催化作用 催化剂 Catalyst 能改变化学反应速度 本身在反应前后质量和化学组成均不改变的物质 催化剂 催化作用 Catalysis 催化剂改变反应速率 催化剂 K 改变反应途径示意图 例1 零级反应 据Arrhenius公式 基元 非基元反应均适用 例2 503K 503K 使用催化剂并不改变反应体系的始态和终态 因此总反应的 H S G 均不变 由 G RTlnK可知 平衡常数K也不变 正催化剂能改变反应途径 降低Ea 同等地提高正 逆反应速率 但不会使原来的平衡移动 也不能改变平衡常数 对于热力学预言非自发的反应 使用催化剂无作用 即催化剂不能改变反应自发的方向 不同的反应要用不同的催化剂 即使这些不同的反应属于同一类型也是如此 例如SO2的氧化 Pt或V2O5作催化剂 而乙烯的氧化则要用Ag作催化剂 同样的反应物可能有许多反应时 选用不同的催化剂可增大工业上所需要的某个反应的速率 同时对其它不需要的反应加以抑制 例 CO g H2 g 1 300 105Pa Cu催化 573K CH3OH 2 20 105Pa 活化Fe Co催化 473K 烃的混合物 H2O 合成油 3 常压 Ni催化 523K CH4 H2O 4 150 105Pa Ru催化 423K 固体石蜡 2 催化剂的选择性 影响反应速