化学反应速率和反应机理

1、化学反应速率和反应 机理 -动力学 目录 化学反应速率 化学反应速率方程 一级反应 浓度对反应速度的影响 温度对反应速度的影响 催化剂对化学反应速度的影响 简单碰撞理论 过渡状态理论 基元反应 非基元反应 链反应 化学反应速率 衡量化学反应快慢程度的物理量，单位molL-1s-1 表示单位体积的反应系统中，反应进度随时间的变化率。 = dt d V 1 dnB=vBd v= CB=nB/V v= Vdt dn v B B 1 dt dc v B B 1 化学反应速率的表示方法 单位时间内反应物浓度减少或生成物浓度的增加。 反应： eE + fF = gG + rR E= - dcE/ dt G

2、= dcG/ dt v= dt dc v B B 1 以不同物质表示的反应速度间的关系 N2 + 3H2 = 2NH3 N2 = - dN2/ dt ； H2= - dH2/ dt NH3 = dNH3 / dt N2 =(1/3)H2 =(1/2)NH3 aA + bB = dD + eE - (1/a) dA/ dt = - (1/b) dB/ dt = (1/d) dD/ dt = (1/e) dE/ dt = dt d V 1 目录 化学反应速率方程 eE+ fF = gG + rR 化学反应速率方程：v=kcaE.cF 对气相反应和气固催化反应，可用气体分压代替浓度。 v=kpaE.

3、 pF 反应速度常数 k：量纲与反应级数有关 L(n-1).mol(1-n).s-1 一定温度下是常数，当温度和浓度一定时，k 值愈大，反应愈快。 与体系的本性有关 与物质的浓度无关 与温度、催化剂有关 一般随温度升高增大 CCl4 中N2O5分解反应 t v/c (*10-4 s-1) 0 3.65 300 3.59 900 3.62 1200 3.61 4200 3.61 V=kc k为常数 反应级数 (n = + +) n称反应总级数，n的大小,表示浓度对反应速度的影响程度.n越大,浓度对 反应速度的影响越大. n可以是整数、分数或小数，也可以是零。 ,的取值与反应的机理有关，由实验获得

4、，一般不能根据反应方程式的 计量系数直接写出。 表8-1 目录 一级反应 A B+C v=-dcA/dt=kAcA ln =kAt kA= ln = ln = ln t dtA A A CA CAO k c dc 0 A A C oC A A C oC t 1 t 1 AOaCC oC Ao A t 1 a1 1 k= ln 半衰期，即反应物浓度降低到一半所需时间 t1/2=ln2/k lncA=-kt+lncAO lncA对 t作图应得直线，直线斜率的负值即为 速率常数k a1 1 t 1 目录 影响化学反应的因素 反应的本性 反应物的浓度 反应的温度 催化剂 其他(溶剂等) 1,浓度对反应

5、速度的影响 速率方程式定量表达了浓度对反应速率的影响 但有些反应反应物浓度与反应速率无关，如：零级反应 有的反应中某物质有负值的分级数，这表明增加它的浓度反而 使速率下降。 实际上不能简单地采用增加浓度的方法来提高反应速率 浓度对反应速率的影响包括浓度的高低及级数的大小和正负 1,浓度对反应速度的影响 对一级反应： 当初始浓度提高一倍，反应速率及产量都提高一倍。 反应转化率与初始浓度无关。 反应物达到一定转化率所需时间与初始浓度无关。若某反应物转化掉3/4所用的时间是转化掉1/2所用时间 的两倍，则该反应就是一级反应。 对二级反应，当反应物浓度提高一倍时，反应速率是原来的四倍 半衰期与初始浓度

6、成反比 T 1/2=1/（KACAO） 反应速率方程式和反应级数 反应 级数 反应速率 方程式 积分速率方程式半衰期 0V=kCA= -kt+CAOT1/2=CAo/2k 1V=kCAlnCA= -kt+lnCAOT1/2=ln2/k =0.693/k 2V=kCA21/CA=kt+1/CAoT1/2=1/kCAo 目录 2、温度对反应速度的影响 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。 范特霍夫规则：在室温附近，温度每升高10oC，一般化学反应的速率常数约增大到原来的2-4倍。 如：假设某一反应的温度系数为2，则100oC时的反应速率约为0oC时的1024倍=210 阿仑尼乌斯

7、公式： k=Ae（-Ea/RT） 或 lnk= lnA +（-Ea/RT） e-自然对数的底； A-指前因子或频率因子，单位与速率常数一致； Ea-反应的活化能，单位kJ.mol-1 v 反应的温度愈高，活化能愈小，K值愈大 v 温度或活化能的微小变化，将引起K值显著的变化 结论 k=Ae（-Ea/RT） Ea值越大，速度常数k越小。 温度越高，速度常数k越大，即反应速度越大。 升高温度对活化能大的反应的影响更为显著。 将阿仑尼乌斯公式改为对数形式 lnk= -Ea/RT+ lnA= -Ea/RT+C 若以lnk对1/T作图应得直线，直线的斜率为-Ea/R，截距为lnA 改为以10为底的形式：

8、 lgk= -Ea/2.303RT+ lgA 例7 设反应在温度T1，T2时速率常数分别为k2，k1 ， Ea不变 lnk1= -Ea/RT1+C （1） lnk2= -Ea/RT2+C （2） （2）-（1）式得 ln（k2/k1）= （Ea/R）（T2-T1）/T2.T1 因为 Ea为活化能0, 所以，当T2T1： k2k1 即v2v1 温度对速度常数和平衡常数的影响比较 温度对平衡常数的影响 In K2/K1 = （H / R）（T2-T1 ）/ T2T1 T2 T1 ： 当H0 0, K2 K1 当H0 0, K2 T1 ：因为Ea 0, k2 k 1 目录 催化剂 在现代工业中，使用

9、催化剂的反应约占85%，只催化热力学可 能的反应 催化剂具有选择性，某一催化剂只对某个特定反应具催化作用 工业上可利用催化剂的选择性加速所需主反应，抑制副反应 催化剂能改变反应速率，但不能改变化学平衡常数，这意味着 对于一个可逆反应，催化剂必同等程度地加快正、逆反应的速 率 催化剂对化学反应速度的影响 只对那些热力学可以自发的反应加催化剂才有意义 催化剂的作用在于能加快反应速率，但不能改变反应的方向和限度。 催化剂能提高化学反应速率的原因，在于它能够降低反应的活化能 表8-3非催化反应和催化反应活化能的比较 目录 反应速率理论 简单碰撞理论 过渡状态理论 简单碰撞理论 将气体分子视为没有内部结

10、构的硬球，而把化学反应看作是硬球间的有效碰撞，化学反应速率就由这些有 效碰撞所决定。 化学反应发生必要条件是反应物分子必须碰撞，但只有极少数碰撞才是有效的。-有效碰撞 活化分子 具有足够高的能量，能发生有效碰撞的分子 分子分数 分子能量 活化能（Ea） 活化分子的最低能量（EO）与反应物的平均能量（E平）之差。 Ea = EO- E平 *不同反应具有不同的活化能：在不同化学反应中改组化学键所需的能量不同。 * Ea值越大，反应速度越小。 发生有效碰撞时，活化分子须具有适当的碰撞方位 目录 过渡状态理论（活化络合物理论） 反应物分子并不是只通过简单碰撞直接形成产物，而是必须经过一个形成活 化络合

11、物的过渡状态，并且经过这个过渡状态需要一定的活化能。 活化络合物-旧键还没断裂，新键还没形成的过渡状态 习题16 反应速率与活化能 反应物分子须有足够的能量才能越过反应坐标 中的能峰发生反应 活化能愈大，能峰愈高，反应速率愈小；反之， 活化能愈小，反应速率愈大 不同的化学反应具有不同的活化能，因而有不 同的化学反应速率 一般反应的活化能在60-250KJ.mol-1之间 活化能小于40 KJ.mol-1的反应，反应速率非 常大，瞬间完成 活化能大于400 KJ.mol-1的反应，反应速率 非常小 浓度对反应速率的影响 一定温度下，某一特定反应，反应物分子中活化分子所占的分数一定，当浓度增大时，

12、单位体积内分子总 数增多，活化分子数也相应增多， -单位时间内有效碰撞次数增多，反应速率加快 温度对反应速率的影响 温度增，碰撞频率增（温度升高10oC，碰撞次数增2%） 使更多分子获得能量而成为活化分子（活化分子分数增加） 催化剂对反应速率的影响 改变反应的途径，形成另一种能量较低的活化络合物，降低了反应的活化能，使更多分子能越过能垒，反 应速率加快 目录 化学反应的机理 化学反应经历的途径-反应机理 基元反应 A+BP 如果此反应确是一个A分子与一个 B分子直接碰撞形成产物P-基元反应 一步完成的反应-简单反应 特点： 由反应 式可直接写出速度反应方程 式 即： aA + bB = dD

13、+ eE 速度方程：V=k.Ca(A).Cb(B) m=a，n=b；N=a+b 质量作用定律：基元反应的速率与反应物的浓 度成正比。 目录 非基元反应 反应分几步完成-复杂反应 由反应 式不能直接写出速度反应方程式 速度方程：V=K.Cm(A).Cn(B) m，n的数值应由实验确定 目录 对于非基元反应，可将其划分为一系列的基元反应，其中每一个基元反应的速率方程均符合质量作用定律， 然后由这些基元反应求总反应的速率方程。 这一系列的基元反应称为总反应的反应机理。 H2+Cl2=2HCl 自由基 惰性物 质 总 反 应 的 反 应 机 理 基元反 应 H2+Br2=2HBr H2+I2=2HI

14、V=kCH2.CI2 曾长期误认为它是一个典型的双分子基元反应，后来沙利文提出如下机理： I2+M2I +M H2+2I2HI 在以上反应中，第2个反应为最慢步骤，这样可以认为反应1近乎达到平衡，整个反应的速率就由反应2的速 率所决定。 练习： 已知A+BP 的速率方程式为V=k.CA.CB 能否认为该反应是一个基元反应？ 目录 链反应 链反应的特点：反应一旦开始，便会因为活泼中间产物的交替生成和消失使反应像链条一样传递下去。 包括直链反应和支链反应 基本步骤：链的引发、链的传递、链的终止 直链反应 链的引发 链的传递 链的终止 特点：在链传递过程中，每步基元 反应产生的自由基数目等于该基元

15、反应消耗的自由基数目，即在链传 递中没有自由基的积累 支链反应 在支链的传递步骤中， 产生的自由基数目比 用掉的多 要控制支链反应的速率关键在于及时销毁自由基 销毁自由基的途径：1，自由基与器壁碰撞失去活性（墙面销毁）；2，自由基在气相中互撞或与惰性气体 分子相撞失去活性（气相销毁） A-B段易墙面销毁， B-C段爆炸 C-D段易气相销毁 D段以上爆炸 引起爆炸的原因： 支链反应 能量积累 气体组成 目录 目录 化学反应速率 化学反应速率方程 一级反应 浓度对反应速度的影响 温度对反应速度的影响 催化剂对化学反应速度的影响 简单碰撞理论 过渡状态理论 基元反应 非基元反应 链反应 dnB=vBd v= CB=nB/V v= Vdt dn v B B 1 dt dc v B B 1 k= ln 半衰期，即反应物浓度降低到一半所需时间 t1/2=ln2/k lncA=-kt+lncAO lncA对 t作图应得直线，直线斜率的负值即为 速率常数k a1 1 t 1 温度对速度常数和平衡常数的影响比较 温度对平衡常数的影响 In K2/K1 = （H / R）（T2-T1 ）/ T2T1 T2 T1 ： 当H0 0, K2 K1 当H0 0, K2 T1 ：因为Ea 0, k2