无机化学化学反应速率学习教案

1、无机化学无机化学(wjhuxu)化学反应速率化学反应速率第一页，共44页。第1页/共44页第二页，共44页。一、化学反应速率的表示一、化学反应速率的表示(biosh)方法方法 1. 定义：定义： 在体积一定的密闭容器中的反应，经常用在体积一定的密闭容器中的反应，经常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度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的增加来表示(biosh)。2. 单位：单位：mol .L -1 . 时间时间(shjin)-1 mol .L -1 . s-1 、mol . L-1 . min-1 或或mol . L -1 . h-1 。 速率都为正值。速率都为正值。第2页

2、/共44页第三页，共44页。113)(SLmol10310030.022tcvNONO113)(SLmol1075.0100075.022tcvOO3. 平均平均(pngjn)速率速率010010. 295. 1)()(1212)(525252ttccvONONON1.510-3 mol.L-1.S-1 起始起始 2.10 0 0 mol.L-1100秒后秒后 1.95 0.30 0.075 mol.L-12 N2O5 (g) = 4NO2 (g) + O2 (g) )()()(2252:ONOONvvv2 : 4 : 1第3页/共44页第四页，共44页。)(11)(41)(212252OvN

3、OvONv 对于一般对于一般(ybn)化学反应化学反应aA + bB g G+ hH , 则有：则有：tchtcgtcbtcaHGBA1111)()()()(1111HGBAvhvgvbva 或或第4页/共44页第五页，共44页。4. 瞬时瞬时(shn sh)速率速率 若将观察的时间间隔无限缩小若将观察的时间间隔无限缩小(suxio)，平均速率的极限值即为化学反应在，平均速率的极限值即为化学反应在t时的瞬时速率（用作图的方法可求出反应的瞬时速率）时的瞬时速率（用作图的方法可求出反应的瞬时速率） ：dtdctcvONONtON5252520)(limct反应物反应物初速率初速率(sl)很很重要重

4、要第5页/共44页第六页，共44页。一、一、 速率定律：浓度对化学反应速率定律：浓度对化学反应(huxu fnyng)速率的影响速率的影响 在一定温度下在一定温度下, , 增加反应增加反应(fnyng)(fnyng)物的浓度可以增大反应物的浓度可以增大反应(fnyng)(fnyng)速率。速率。白磷在纯氧气中和在空气中的燃烧白磷在纯氧气中和在空气中的燃烧第6页/共44页第七页，共44页。(一一) 速率定律速率定律1. 定义：在一定温度下，化学反应的速率与各反定义：在一定温度下，化学反应的速率与各反应物浓度应物浓度(nngd)幂的乘积成正比。幂的乘积成正比。反应反应(fnyng)：aA + bB

5、 g G+ hH v = k cAm cBn（或称（或称“速率方程速率方程”）第7页/共44页第八页，共44页。k的单位？的单位？第8页/共44页第九页，共44页。3. 反应反应(fnyng)级级数数m + n:该反应该反应(fnyng)的总反的总反应应(fnyng)级数。级数。v = k cAm cBnA的反应(fnyng)级数B的反应级数的反应级数第9页/共44页第十页，共44页。因此因此, 反应级数可以为整数反应级数可以为整数(zhngsh)、零，也可以是分数。、零，也可以是分数。例：一些反应例：一些反应(fnyng)的速率方程与反应的速率方程与反应(fnyng)级数级数化学方程式化学方

6、程式速率方程速率方程反应级数反应级数2N2O 2N2 + O22H2O2 2H2O + O2H2 +Cl2 2HClH2 +I2 2HI2H2 + 2NO N2 +2H2O v = k CN2O0= kv = k CH2O2v = k CH2 CCl21/2v = k CH2CI2v = k CH2 CNO2013/223P42-例例3-1第10页/共44页第十一页，共44页。第11页/共44页第十二页，共44页。二、温度二、温度(wnd)对反应速率的对反应速率的影响影响 温度每升高温度每升高10K，反应速率，反应速率(sl)大约扩大二到四倍大约扩大二到四倍阿仑尼乌斯公式阿仑尼乌斯公式(gng

7、sh),1889年年阿仑尼乌斯阿仑尼乌斯 (Arrhennius) 一般温度范围内一般温度范围内, 温度改变对温度改变对Ea与与A影响微小影响微小.eEaRTk= Alnk = + lnAEaRTlgk = + lgAEa2.303RT指前因子指前因子频率因子频率因子活化能活化能第12页/共44页第十三页，共44页。eEaRTk= A(2) 温度升高，活化分子数增加，有效碰撞显著增多温度升高，活化分子数增加，有效碰撞显著增多(zn du)， 反应速率越快。反应速率越快。 (1) 在一定温度在一定温度(wnd)下，活化能越小，则速率常数下，活化能越小，则速率常数k就越大，就越大，(2) 因此反应

8、速率大。因此反应速率大。(3) 无论对于吸热反应还是放热反应无论对于吸热反应还是放热反应, 升高温度时反应速率升高温度时反应速率(sl)均提高均提高.第13页/共44页第十四页，共44页。(1) 基元反应：反应物一步基元反应：反应物一步(y b)就直接转变为生产物的反应。就直接转变为生产物的反应。例：例：2N2O(g) = 2N2 (g) + O2 (g) CO (g) +H2O (g) H2 (g) +CO2 (g) (2) 非基元反应：需两步或两步以上非基元反应：需两步或两步以上(yshng)完成的反应。完成的反应。例：反应例：反应H2+I2=2HI是由两步组成的是由两步组成的 I2 2I

9、 快反应快反应 H2+2I2HI 慢反应慢反应第14页/共44页第十五页，共44页。定义：基元反应中，直接参加反应的粒子（包定义：基元反应中，直接参加反应的粒子（包 括分子、原子和离子括分子、原子和离子(lz)）的数目之和。）的数目之和。a. 单分子单分子(fnz)反应：反应：SO2Cl2 SO2+Cl2b. 双分子反应：双分子反应：2N2O2N2+O2c. 三分子反应：三分子反应：2NO+H2 N2O+H2O H2+2I2HI第15页/共44页第十六页，共44页。(4) 质量作用质量作用(zuyng)定律定律 对于基元反应对于基元反应aA + bB g G+ hH , 则有：则有：v = k

10、 cAa cBb (称称“质量作用质量作用(zuyng)定律定律”)例：基元反应例：基元反应(fnyng) NO2+CO NO+CO2则有：则有：v = k cNO2 cCO 反应分子数反应分子数 = a + b基元反应的反应级数和反应分子数相等。基元反应的反应级数和反应分子数相等。第16页/共44页第十七页，共44页。对于非基元反应，它的反应级数必须对于非基元反应，它的反应级数必须(bx)由实验确定。由实验确定。复杂反应：复杂反应：H2 (g) + I2 (g) 2HI (g)I2 I +I 快快H2 + 2I 2HI 慢慢221 IHk22 I I kkI I 22kkIHIH22221k

11、kkk第17页/共44页第十八页，共44页。 对于基元反应，根据质量作用定律可直接写出其速率对于基元反应，根据质量作用定律可直接写出其速率(sl)方程式，确定其反应级数，反应级数和反应分子数相等方程式，确定其反应级数，反应级数和反应分子数相等 对于非基元反应对于非基元反应(fnyng)，它的速率方程式必须由实验确定，从而反应，它的速率方程式必须由实验确定，从而反应(fnyng)级数也必须由实验确定。不存在反应级数也必须由实验确定。不存在反应(fnyng)分子数。分子数。小小 结结反应反应(fnyng)级数与反应级数与反应(fnyng)分子数的区分子数的区别别反应级数反应级数反应分子数反应分子数

12、使用范围使用范围任何反应任何反应 基元反应基元反应 取值取值 整数、分数或负数整数、分数或负数 1，2，3与反应物系数的关系与反应物系数的关系不一定相等不一定相等相等相等第18页/共44页第十九页，共44页。二、限速步骤二、限速步骤(bzhu) 2N2O5 4NO2 + O2反应机制为反应机制为: N2O5 NO2+ NO3(慢，速率控制步骤慢，速率控制步骤) NO3 NO 2NO2 (快快) N2O5 NO 2NO2 + O2 (快快)NO2速率速率(sl)方程式为方程式为v = k cN2O51第19页/共44页第二十页，共44页。第20页/共44页第二十一页，共44页。一、一、 碰撞碰撞

13、(pn zhun)理论理论反应物分子间的相互碰撞反应物分子间的相互碰撞(pn zhun)是发生化学反应的先决条件。是发生化学反应的先决条件。2HI(g) = H2 (g) +2I (g)HI气体气体T= 556KC=1.0 mol/L相碰相碰(xin pn)即起反应，即起反应，v11011 mol.L-1.S -1实际测定值，实际测定值，v23.510 -7 mol.L-1.S -1条件：条件：有效碰撞有效碰撞（ 、 ）。方位方位能量能量第21页/共44页第二十二页，共44页。NO (g) + O3 (g) = NO2(g) +O2(g)第22页/共44页第二十三页，共44页。2. 活化分子活

14、化分子: 能够发生有效碰撞的能量高的分子能够发生有效碰撞的能量高的分子 。 活化分子越多，单位体积内有效碰撞的次数越多，反活化分子越多，单位体积内有效碰撞的次数越多，反 应速率越快。应速率越快。 在一定在一定(ydng)温度下，反应物中活化分子百分率是恒定的。温度下，反应物中活化分子百分率是恒定的。3. 活化能，活化能，Ea：与：与Ec近似相等，近似相等， EaEc1.临界能或阈能，临界能或阈能，Ec：发生有效碰撞的分子所具有：发生有效碰撞的分子所具有(jyu)的的2. 最低能量。最低能量。第23页/共44页第二十四页，共44页。第24页/共44页第二十五页，共44页。碰撞碰撞(pn zhun

15、)理论的优缺点理论的优缺点优点优点较直观的讨论了一般反应过程，应用较直观的讨论了一般反应过程，应用在双分子反应机理上比较成功。在双分子反应机理上比较成功。缺点缺点把分子当成刚性球体，忽略了分子的把分子当成刚性球体，忽略了分子的内部结构，对解释复杂反应有困难。内部结构，对解释复杂反应有困难。第25页/共44页第二十六页，共44页。二、二、 过渡态理论过渡态理论(lln)1. 要点：反应物经过要点：反应物经过(jnggu)一个中间过渡态，生成一个不稳定的中间活化配合物，然后再分解为产物。一个中间过渡态，生成一个不稳定的中间活化配合物，然后再分解为产物。反应物反应物活化活化(huhu)配合物配合物A

16、2B2产物产物反应过程中，分子结构发生变化。反应过程中，分子结构发生变化。AABBAABBABAB第26页/共44页第二十七页，共44页。A2+B22AB反应反应(fnyng)进程进程势能势能(shnng)AABB1.反应反应(fnyng)历程历程2. 能量能量Ea第27页/共44页第二十八页，共44页。NO (g) + O3 (g) = NO2(g) +O2(g)第28页/共44页第二十九页，共44页。三、三、 催化剂对反应速率催化剂对反应速率(sl)的影响的影响 催化剂是一种能改变催化剂是一种能改变(gibin)化学反应速率化学反应速率,其本身在反其本身在反应前后质量和化学组成均应前后质量

17、和化学组成均不改变不改变(gibin)的物质的物质.MnO22KClO3(s) 2KCl(s) + 3O2(g)PtH2(g) + O2(g) H2O(l)12第29页/共44页第三十页，共44页。3. 催化剂具有特殊的选择性，高度催化剂具有特殊的选择性，高度的专一性。的专一性。第30页/共44页第三十一页，共44页。第31页/共44页第三十二页，共44页。酶催化酶催化(cu hu)生物体内存在着的一类具催化能力的蛋白质称为酶。生物体内存在着的一类具催化能力的蛋白质称为酶。酶催化的特点：酶催化的特点：高效性，比普通催化剂高得多。高效性，比普通催化剂高得多。选择性更强。选择性更强。温度过高、酸碱

18、度过大会使酶失去活性。温度过高、酸碱度过大会使酶失去活性。生物化学家用生物化学家用“锁配钥锁配钥”模型模型(“锁和钥匙锁和钥匙(yo shi)”)解释酶的催化活性。解释酶的催化活性。第32页/共44页第三十三页，共44页。 外界外界(wiji)条件（浓度、温度、催化剂等）条件（浓度、温度、催化剂等）对化学反应速率的影响对化学反应速率的影响浓度增加(或减少)温度升高(或降低) 正催化剂活化能不变不变降低活化分子百分数不变增加（或减少）增加活化分子数增加（或减少）增加（或减少）增加有效碰撞次数增加（或减少）增加（或减少）增多反应速率加快（或减慢）加快（或减慢）加快反应速率常数不变变大（或变小）变大

19、第33页/共44页第三十四页，共44页。本本 章章 小小 结结1 1、了解化学反应速率的概念。、了解化学反应速率的概念。2 2、掌握质量作用定律和化学反应速率方程式。、掌握质量作用定律和化学反应速率方程式。3 3、理解和区分基元反应、非基元反应、反应级数、理解和区分基元反应、非基元反应、反应级数、 反应分子数，活化分子等概念。反应分子数，活化分子等概念。4 4、了解影响、了解影响(yngxing)(yngxing)反应速率的因素。反应速率的因素。第34页/共44页第三十五页，共44页。练练 习习1. 反应的级数与反应的分子数是同义词。反应的级数与反应的分子数是同义词。2. 在反应历程中，定速步

20、骤是反应速率最慢的一步。在反应历程中，定速步骤是反应速率最慢的一步。3. 反应速率常数的大小就是反应速率的大小。反应速率常数的大小就是反应速率的大小。4.对于一个化学反应，活化能越大，其反应速率就越快。对于一个化学反应，活化能越大，其反应速率就越快。5.催化剂只能催化剂只能(zh nn)同时加速正逆向反应的反应速率，而不能同时加速正逆向反应的反应速率，而不能 改变其平衡状态。改变其平衡状态。6反应反应2NO (g) + 2H2 (g) N2 (g) + 2H2O (g)的反应速率表达式为的反应速率表达式为v = kcNO2cH2，试讨论下列各种条件变化时对初速率有何影响。，试讨论下列各种条件变

21、化时对初速率有何影响。（1）NO的浓度的浓度(nngd)增加一倍；（增加一倍；（2）有催化剂参加；）有催化剂参加；（3）降低温度；（）降低温度；（4）将反应器的容积增大一倍。）将反应器的容积增大一倍。第35页/共44页第三十六页，共44页。19991999年度诺贝尔化学奖年度诺贝尔化学奖飞秒照相机快门飞秒照相机快门获得者：获得者：Ahmed H.ZewailAhmed H.Zewail（摘自科学）（摘自科学）在科学领域，追求化学反应更精微细节的能力一直是人们不懈的探求目标之一。这种能力将帮助探求者解决基础的问题在科学领域，追求化学反应更精微细节的能力一直是人们不懈的探求目标之一。这种能力将帮助

22、探求者解决基础的问题(wnt)(wnt)。例如：为什么一些反应发生而另一些反应却不发生，为什么化学反应的速率和产物与反应过程的温度有关。困难在于反应时速度极快。眨眼之间（例如：为什么一些反应发生而另一些反应却不发生，为什么化学反应的速率和产物与反应过程的温度有关。困难在于反应时速度极快。眨眼之间（1/41/4秒），苯和碘分子可以发生秒），苯和碘分子可以发生33303330亿次生成原子碘及其他产物的反应。亿次生成原子碘及其他产物的反应。第36页/共44页第三十七页，共44页。70年代后期以来，年代后期以来，Ahmed H.Zewail开始用短激光脉冲照射反应过程中的分子和原子，以帮助实时解释动力

23、学。在反应过程中，过渡状态的分子或原子所表现出的特性既不是反应物，也不是产物。这些分子或原子吸收或反射任何照射到它们开始用短激光脉冲照射反应过程中的分子和原子，以帮助实时解释动力学。在反应过程中，过渡状态的分子或原子所表现出的特性既不是反应物，也不是产物。这些分子或原子吸收或反射任何照射到它们(t men)上的光，改变入射光和光谱使之产生具有特征频率的光。上的光，改变入射光和光谱使之产生具有特征频率的光。过渡状态共维持了过渡状态共维持了10到到100飞秒，所以探测它们飞秒，所以探测它们(t men)的激光脉冲必然是非常的短。激光具有这种脉冲的能力发现于的激光脉冲必然是非常的短。激光具有这种脉冲

24、的能力发现于80年代中期。年代中期。Zewail和他的合作者立刻意识道了这一发现的实用价值。和他的合作者立刻意识道了这一发现的实用价值。第37页/共44页第三十八页，共44页。 1978 1978年首先用于氰化碘（年首先用于氰化碘（ICNICN），他们第一次能够观察得出分子离解作用的看到分子分裂），他们第一次能够观察得出分子离解作用的看到分子分裂(fnli)(fnli)成碘和氰，甚至看到碎片互相分离开去。成碘和氰，甚至看到碎片互相分离开去。第38页/共44页第三十九页，共44页。上图：上图： 碘化氢分子与二氧化碳反应产生一氧化碳、氢氧化物和碘，这个过程于碘化氢分子与二氧化碳反应产生一氧化碳、氢

25、氧化物和碘，这个过程于80年代后期被年代后期被Ahmed H.Zewail和他的同事探测和记录。使用无数的极短激光脉冲，研究者能接连跟踪系列事件（和他的同事探测和记录。使用无数的极短激光脉冲，研究者能接连跟踪系列事件（14），而且能得知单独的分子和原子的运动），而且能得知单独的分子和原子的运动.在一个典型的实验在一个典型的实验(shyn)里，里，Zewail用泵脉冲引发了一种反应（泵脉冲把能量加到反应物上）。几飞秒后，第一个脉冲探针作用于分子，接下来在整个反应期间每用泵脉冲引发了一种反应（泵脉冲把能量加到反应物上）。几飞秒后，第一个脉冲探针作用于分子，接下来在整个反应期间每10飞秒左右脉冲照射

26、一次，达几千次之多。每个脉冲探针光谱的变化可以揭示任何化学键及活化能级以及原子和分子的运动。飞秒左右脉冲照射一次，达几千次之多。每个脉冲探针光谱的变化可以揭示任何化学键及活化能级以及原子和分子的运动。第39页/共44页第四十页，共44页。研究者现在使用研究者现在使用Zewail的技术在如下这些现象中提供更详细的洞察力，如催化、光合作用以及当用眼睛扫视照片时在视网膜视杆里光驱动的分子传递是如何发生的。的技术在如下这些现象中提供更详细的洞察力，如催化、光合作用以及当用眼睛扫视照片时在视网膜视杆里光驱动的分子传递是如何发生的。至于至于Zewail自己，他说：自己，他说：“我们的最新工作是实时了解生物

27、系统内分子的结构我们的最新工作是实时了解生物系统内分子的结构即结构是如何从一种构型变成另一种构型的。即结构是如何从一种构型变成另一种构型的。”作为在这一领域的首次尝试，他与同事们检测了从乙烷获取乙烯反应的动力学。更长期的目的作为在这一领域的首次尝试，他与同事们检测了从乙烷获取乙烯反应的动力学。更长期的目的(md)是研究蛋白质分子是研究蛋白质分子生命存在的基石生命存在的基石的动力学。的动力学。 Zewail相信，精确使用熟练设置的脉冲将最终可能改变分子。研究生们注意：这很可能是另一个诺贝尔奖所在相信，精确使用熟练设置的脉冲将最终可能改变分子。研究生们注意：这很可能是另一个诺贝尔奖所在第40页/共44页第四十一页，共44页。质量作用定律质量作用定律 18世纪后期到世纪后期到19世纪前期，化学界笼罩在所世纪前期，化学界笼罩在所谓的谓的“化学亲合力化学亲合力”的阴影下。这一观点最初来自的阴影下。这一观点最初来自炼金术，他们认为化学反应之所以能够发生，是由炼金术，他们认为化学反应之所以能够发生，是由于反应物间存在着于反应物间存在着“爱力爱力”，甚至还列出了，甚至还列出了“亲合