高中化学竞赛参考 第七讲 速率与平衡课件.ppt

高中化学竞赛 第七讲速率与平衡 竞赛基本要求 1 反应速率基本概念 2 反应级数 一级反应积分式及有关计算 速率常数 半衰期 碳 14法推断年代等等 3 阿累尼乌斯方程及计算 活化能的概念与计算 速率常数的计算 温度对速率常数影响的计算等 4 活化能与反应热的关系 5 反应机理一般概念 6 平衡常数与温度的关系及利用平衡常数的计算 7 克拉贝龙方程及其应用 不要求微积分 知识点击 一 化学反应速率 一 反应速率及其表示方法在化学反应中 某物质的浓度 物质的量浓度 随时间的变化率称反应速率 反应速率只能为正值 且并非矢量 1 平均速率用单位时间内 反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示 c t当 c为反应物浓度的变化时 取负号 c为生成物浓度的变化时 取正号 2 瞬时速率若将观察的时间间隔 t缩短 它的极限是 t 0 此时的速率即为某一时刻的真实速率 瞬时速率 二 反应速率理论简介1 碰撞理论化学反应的发生 总要以反应物之间的接触为前提 即反应物分子之间的碰撞是先决条件 没有粒子间的碰撞 反应的进行则无从说起 看如下计算数据 1 有效碰撞并非每一次碰撞都发生预期的反应 只有非常少的碰撞是有效的 首先 分子无限接近时 要克服斥力 这就要求分子具有足够的运动速度 即能量 具备足够的能量是有效碰撞的必要条件 其次 仅具有足够能量尚不充分 分子有构型 所以碰撞方向还会有所不同 如反应 no2 co no co2的碰撞方式有 a 种碰接有利于反应的进行 b 种碰撞方式都是无效的 2 活化能和活化分子组将具备足够能量 碰撞后足以反应 的反应物分子组 称为活化分子组 分子组的能量要求越高 活化分子组的数量越少 这种能量要求称之为活化能 用ea表示 ea在碰撞理论中 认为和温度无关 ea越大 活化分子组数则越少 有效碰撞分数越小 故反应速率越慢 不同类型的反应 活化能差别很大 如反应 2so2 o2 2so3ea 251kj mol 1n2 h2 2nh3ea 175 5kj mol 1而中和反应 hcl naoh nacl h2oea 20kj mol 1分子不断碰撞 能量不断转移 因此 分子的能量不断变化 故活化分子组也不是固定不变的 但只要温度一定 活化分子组的百分数是固定的 2 过渡状态理论 1 活化络合物当反应物分子接近到一定程度时 分子的键连关系将发生变化 形成一中间过渡状态 以no2 co no co2为例 n o部分断裂 c o部分形成 分子的能量主要表现为势能 活化络合物能量高 不稳定 它既可以进一步发展 成为产物 也可以变成原来的反应物 于是 反应速率决定于活化络合物的浓度 活化络合物分解成产物的几率和分解成产物的速率 过渡态理论 将反应中涉及到的物质的微观结构和反应速率结合起来 这是比碰撞理论先进的一面 然而 在该理论中 许多反应的活化络合物的结构尚无法从实验上加以确定 加上计算方法过于复杂 致使这一理论的应用受到限制 三 影响化学反应速率的因素影响化学反应速率的因素很多 除主要取决于反应物的性质外 外界因素也对反应速率有重要作用 如浓度 温度 压力及催化剂等 1 浓度对反应速率的影响 1 基元反应和非基元反应基元反应 能代表反应机理 由反应物微粒 分子 原子 离子或自由基 一步直接实现的化学反应 称为基元反应 非基元反应 由反应物微粒经过两步或两步以上才能完成的化学反应 称为非基元反应 如反应 h2 cl2 2hcl由几个基元步骤构成 它代表了该链反应的机理 cl2 m 2cl mcl h2 hcl h h cl2 hcl cl 2cl m cl2 m式中m表示只参加反应物微粒碰撞而不参加反应的其他分子 如器壁 它只起转移能量的作用 2 反应分子数在基元步骤中 发生反应所需的最少分子数目称为反应分子数 根据反应分子数可将反应区分为单分子反应 双分子反应和三分子反应三种 如 单分子反应ch3coch3 ch4 co h2双分子反应ch3cooh c2h5oh ch3cooc2h5 h2o三分子反应h2 2i 2hi反应分子数不可能为零或负数 分数 只能为正整数 且只有上面三种数值 从理论上分析 四分子或四分子以上的反应几乎是不可能存在的 反应分子数是理论上认定的微观量 3 速率方程和速率常数大量实验表明 在一定温度下 增大反应物的浓度能够增加反应速率 那么反应速率与反应物浓度之间存在着何种定量关系呢 人们在总结大量实验结果的基础上 提出了质量作用定律 在恒温下 基元反应的速率与各种反应物浓度以反应分子数为乘幂的乘积成正比 对于基元反应aa bb gg hh 质量作用定律的数学表达式 v k c c称为该反应的速率方程 式中k为速率常数 其意义是当各反应物浓度为1mol dm 3时的反应速率 对于速率常数k 应注意以下几点 速率常数k取决反应的本性 当其他条件相同时快反应通常有较大的速率常数 k小的反应在相同的条件下反应速率较慢 速率常数k与浓度无关 k随温度而变化 温度升高 k值通常增大 k是有单位的量 k的单位随反应级数的不同而异 确定速率方程时必须特别注意 质量作用定律仅适用于一步完成的反应 基元反应 而不适用于几个基元反应组成的总反应 非基元反应 如n2o5的分解反应 2n2o5 4no2 o2实际上分三步进行 n2o5 no2 no3慢 定速步骤 no2 no3 no2 o2 no快no no3 2no2快实验测定起速率方程为 v kc n2o5 它是一级反应 不是二级反应 速率方程中 反应物浓度的指数m n分别称为反应物a和b的反应级数 各组分反应级数的代数和称为该反应的总反应级数 反应级数 m n可见 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 速率受浓度的影响越大 若为零级反应 则表示反应速率与反应物浓度无关 某些表面催化反应 例如氨在金属钨表面上的分解反应 其分解速率在一定条件下与氨的浓度无关就属于零级反应 观察表中六个反应的反应级数 并与化学方程式中反应物的计量数比较可以明显地看出 反应级数不一定与计量数相符合 因而对于非基元反应 不能直接由反应方程式导出反应级数 另外 还应明确反应级数和反应分子数在概念上的区别 反应级数是根据反应速率与各物质浓度的关系来确定的 反应分子数根据基元反应中发生碰撞而引起反应所需的分子数来确定 反应级数可以是零 正 负整数和分数 反应分子数只可能是一 二 三 反应级数是对宏观化学反应而言的 反应分子数是对微观上基元步骤而言的 5 一级反应及其特点凡反应速率与反应物浓度一次方成正比的反应 称为一级反应 其速率方程可表示为 dc dt k1c积分上式可得 lnc k1t b当t 0时 c c0 起始浓度 则b lnc 故上式可表示为 lnc0 c k1t或k1 1 t lnc0 c亦可表示为 c c0e k1t若以a表示t 0时的反应物的浓度 以x表示t时刻已反应掉的反应物浓度 于是式可写为 k1 1 t lna a x一级反应的特征是 速率常数k1的数值与所用浓度的单位无关 其量纲为时间 1 其单位可用s 1 min 1或h 1等表示 当反应物恰好消耗一半 即x a 2时 此刻的反应时间记为t1 2 称之为半衰期 则 k1 ln2 t1 2t1 2 0 6932 k1 以lgc对t作图应为一直线 其斜率为 k1 2 303 2 温度对反应速率的影响 温度对反应速率的影响 主要体现在对速率常数k的影响上 arrhenius 阿仑尼乌斯 总结了k与t的经验公式 根据arrhenius公式 知道了反应的ea a和某温度t1时的k1 即可求出任意温度t2时的k2 由对数式 lgk1 lna lgk2 lna 得 lgk2 k1 3 催化剂对反应速率的影响 1 催化剂和催化反应 催化反应分为均相催化和非均相催化两类 反应和催化剂处于同一相中 不存在相界面的催化反应 称均相催化 如 no2催化2so2 o2 2so3 若产物之一对反应本身有催化作用 则称之为自催化反应 如 2mno4 6h 5h2c2o4 10co2 8h2o 2mn2 反应物和催化剂不处于同一相 存在相界面 在相界面上进行的反应 叫做多相催化反应或非均相催化 复相催化 例如 fe催化合成氨 固 气 ag催化h2o2的分解 固 液 2 催化剂的选择性特定的反应有特定的催化剂 如 2so2 o2 2so3的催化剂 v2o5 no2 pt co 2h2 ch3oh的催化剂cuo zno cr2o3 酯化反应的催化剂 浓硫酸 浓硫酸 浓磷酸 硫酸盐 活性铝同样的反应 催化剂不同时 产物可能不同 如 co 2h2 ch3oh 催化剂cuo zno cr2o3 co 3h2 ch4 h2o 催化剂ni al2o3 2kclo3 2kcl o2 催化剂mno2 4kclo3 3kclo4 kcl 无催化剂 3 催化机理催化剂改变反应速率 减小活化能 提高产率 不涉及热力学问题 如 a b abea很大 无催化剂 慢 加入催化剂k 机理改变了 a b k ak b ab k 快 可以看出 正 逆反应的活化能降低 正逆反应加快 但不改变热力学数据 例如 no2催化氧化so2的机理 总反应为 so2 1 2o2 so3ea大 加no2 催化机理为 2so2 no2 so3 noea 小no 1 2o2 no2ea 小 二 化学平衡 一 化学平衡的条件 gt p 0正反应自发进行 gt p 0达化学平衡 化学平衡的条件 gt p 0正反应不自发 逆反应自发 化学反应达平衡时 从热力学角度 等温等压 wf 0 应 gt p 0 从动力学角度 r r 反应物和生成物的浓度不变 即存在一个平衡常数 二 实验平衡常数aa bbdd eekc kp rt 三 标准平衡常数和等温方程式1 标准平衡常数 等温等压下 对理想气体反应 f hh rgm rgm0 2 纯固体或纯液体与气体间的反应 复相反应 例如 是一个多相反应 其中包含两个不同的纯固体和一个纯气体 化学平衡条件 适用于任何化学平衡 不是论是均相的 还是多相的 四 平衡常数的测定和平衡转化率的计算1 平衡常数的测定 测定平衡常数实际上是测定平衡体系中各物质的浓度 确切地说是活度 或压力 视具体情况可以采用物理或化学的方法 1 物理方法 测定与浓度有关的物理量 如压力 体积 折射率 电导率等 优点 不会扰乱体系的平衡状态 缺点 必须首先确定物理量与浓度的依赖关系 2 化学方法 利用化学分析的方法直接测定平衡体系中各物质的浓度 缺点 加入试剂往往会扰乱平衡 所以分析前首先必须使平衡 冻结 通常采取的方式是 骤然冷却 取出催化剂或加入阻化剂等 2 平衡转化率的计算 1 平衡转化率 亦称理论转化率或最高转化率 2 平衡产率 最大产率 以产品来衡量反应的限度 例题1 338k时n2o5气相分解的速率常数为0 29min 1 活化能为103 3kj mol 1 求353k时的速率常数k及半衰期t1 2 解析 1 求353k时的速率常数t1 383k k1 0 292min 1 ea 103 3kj mol 1 t2 353k 根据公式lnk2 k1 ea r 1 t1 1 t2 代入实验数值 lnk2 0 292 1 033 105 1 338 1 353 k2 1 392min 1 2 求353k时的t1 2根据公式t1 2 0 693 k代入k2具体值得t1 2 0 693 k2 0 4978min 例题2 773k时 将2 00molso2和3 00molo2充入容积为10 00dm3的密封容器中 平衡时有1 90molso3生成 计算反应 2so2 g o2 g 2so3 g 的kc kp以及so2的转化率 解析 根据题意 此反应是在等温等容条件下进行的 2so2 g o2 g 2so3 g 起始浓度 mol dm 32 00 103 00 100变化浓度 mol dm 3 1 90 10 1 2 1 90 101 90 10平衡浓度 mol dm 30 10 102 05 101 90 10kc 1 8 103dm3 molkp kc rt v 1 8 103dm3 mol 1 8 31kpa dm3 mol 1 k 1 773k 1so2的转化率 1 90 2 00 x100 95 0 例题3 碳酸钙在密闭容器中加热分解产生氧化钙和二氧化碳并达到平衡 caco3 s cao s co2 g 已知298k时的数据如下 求298k时分解反应的kp和分解压 在石灰窑中欲使caco3 s 以一定的速度分解 co2的分压应不低于101325pa 试计算石灰窑温至少维持在多少度 假设此反应的 cp 0 解析 caco3 s cao s co2 g kp pco2 p0 298k时 rhm 635 6 393 5 1206 9 177 8 kj mol rgm 604 2 394 4 1128 8 130 2 kj mol 分解压 1 5 10 23 101325 1 52 10 18pa设co2的分压应不低于101325pa时 石灰窑温至少维持在tk t 1113k 例题4 1273k时h2o g 通过红热的铁生产h2 发生如下反应 fe s h2o g feo s h2 g 反应的平衡常数kp 1 49 kp是以各平衡混合气体分压表示的化学平衡常数 1 每生产1 00mol氢气需通入水蒸气的物质的量为多少 2 1273k时 若反应体系中只有0 30mol的铁并通入1 00mol水蒸气与其反应 试计算反应后各组分的物质的量 反应后体系是否处于平衡状态 为什么 3 1273k 当1 00mol水蒸气与0 80mol铁接触时 最后各组分的物质的量是多少 解析 1 反应为fe