化学反应的速率和原子结构

化学反应的速率和原子结构第一页，共二十九页，编辑于2023年，星期日催化剂中毒往往少量杂质就可以使催化剂的活性大幅度降低甚至丧失，这种现象称为催化剂中毒。但也有杂质可以大量增加催化剂的作用，这种杂质被称为助催化剂。FujianNormalUniversityChapter11第二页，共二十九页，编辑于2023年，星期日酶催化作用催化剂在动植物体内广泛存在，生物体内的各种化学反应大多由酶催化完成。例如，蛋白质在体外需要在浓的强酸（或强碱）中煮沸很长时间才能水解（即消化），而在体内胃蛋白酶的作用下，只要体温下较短时间就可以完成。FujianNormalUniversityChapter11第三页，共二十九页，编辑于2023年，星期日酶本质上是蛋白质，酶催化的特点是高催化效率（比非酶催化效率高106～1010倍）和高选择性（专一性）。酶的催化活性与系统温度和PH值有紧密联系。例如：一方面提高温度可以增加酶促反应的速度（与一般化学反应一样），另一方面温度过高可引起酶蛋白变性，导致酶的失活。因此存在反应速度达到最大值时的温度，称为某种酶作用的最适温度。PH值类似。FujianNormalUniversityChapter11第四页，共二十九页，编辑于2023年，星期日催化剂的重要意义化工生产——80％～85％的流程涉及到催化剂，它使一些本来没有实用价值的反应在工业中得到应用，优良的催化剂是加速反应的最经济最有效的途径。人体（生物体）——有上千种酶，它们使人体的各种生命活动得以正常进行。如DNA的复制中DNA解旋酶和聚合酶就发挥了重要作用。FujianNormalUniversityChapter11第五页，共二十九页，编辑于2023年，星期日11.7链反应（连锁反应）简介链反应是一类特殊的反应，引发后，通过活性组分会产生一系列循环交替的快速连续反应。臭氧层空洞——人类排放的氯氟烃（缩写CFCs）类物质，如氟利昂（CFC）、CCl4、CHCl3等可以释放Cl，以链反应的方式消耗臭氧，

1个Cl可以吞食大约10万个O3分子，对臭氧层有明显的破坏作用。FujianNormalUniversityChapter11第六页，共二十九页，编辑于2023年，星期日人类对臭氧层的保护——人们已经通过国际公约等形式限制了臭氧层消耗物质（ODS）的生产和使用。我国也开发了新一代制冷剂——格林柯尔制冷剂（GreenCool）。据报道，它不仅很环保，制冷效率还提高了20%左右。（很有争议）FujianNormalUniversityChapter11第七页，共二十九页，编辑于2023年，星期日11.8绿色化学简介绿色化学又称为环境友好化学，它的中心思想是从源头杜绝有害物质的产生，从根本上消除化学生产过程对环境的污染。FujianNormalUniversityChapter11第八页，共二十九页，编辑于2023年，星期日复习与练习FujianNormalUniversityChapter11第九页，共二十九页，编辑于2023年，星期日第12章原子结构为了研究物质的性质、反应的本质，预言化合物的合成，就必须研究物质的结构，首先就是原子结构，特别是其电子层的结构——因为一般化学反应只涉及电子状态的改变。FujianNormalUniversityChapter11第十页，共二十九页，编辑于2023年，星期日12.1微观粒子的波粒二象性12.1.1氢原子光谱和玻尔理论

1.氢原子光谱经典物理遇到的困难——19世纪末新的实验现象，例如黑体辐射、光电效应、原子光谱无法用经典物理来加以解释。这里我们以原子光谱为例加以阐述。FujianNormalUniversityChapter11第十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期日连续光谱——太阳或白炽灯发出的白光，通过三棱镜后，可得到红、橙、黄、绿、青、蓝、紫连续变化的谱带，即连续光谱。夏季阵雨过后出现的就是连续光谱。700nm400nm500nm600nm连续光谱原子光谱——不同气体原子（或离子）受到激发后发光，通过三棱镜折射，就产生不同种类、各具特征的不连续谱线，称为原子光谱或线状光谱。FujianNormalUniversityChapter11第十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期日氢原子光谱氢原子光谱是最简单的原子光谱。装有低压高纯H2(g)的放电管所发出的光，通过棱镜分光后，在可见光区波长范围内，可以观察到不连续的5条谱线。

δγβαnm410.2434.1486.1656.3aa

HHHHFujianNormalUniversityChapter11第十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期日FujianNormalUniversityChapter11第十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期日氢原子光谱FujianNormalUniversityChapter11第十五页，共二十九页，编辑于2023年，星期日巴尔末公式——1885年Balmer给出氢原子光谱中可见区各谱线的频率遵循的规律，即巴尔末公式。里德伯公式——而后里德伯（Rydberg）提出了可应用于可见光区以外各种氢原子谱线的通式，即里德伯公式。经验公式FujianNormalUniversityChapter11第十六页，共二十九页，编辑于2023年，星期日

其中RH是里德伯常量，1.097×107m-1。对于巴尔末系谱线（可见光区），m等于2，谱线分别是Hα（n=3）、Hβ（n=4）、Hγ（n=5）、Hδ（n=6）、Hε（n=7）。

对于其他系的谱线，m取其他值。FujianNormalUniversityChapter11第十七页，共二十九页，编辑于2023年，星期日氢原子光谱由五组线系组成，即紫外区的莱曼(Lyman)系，可见区的巴尔末(Balmer)系，红外区的帕邢(Paschen)系，布莱开(Brackett)系和普丰德(Pfund)系。FujianNormalUniversityChapter11第十八页，共二十九页，编辑于2023年，星期日与经典电磁理论的矛盾（逻辑重点）——根据经典电磁理论，绕核高速运动的电子应该以电磁波的形式辐射能量，导致电子能量逐渐衰减，轨道半径逐渐减小，电子最终会落入原子核上而湮灭。这样原子光谱应该连续，原子也不稳定，但这与事实是矛盾的。AnunsatisfactoryatomicmodelFujianNormalUniversityChapter11第十九页，共二十九页，编辑于2023年，星期日2.玻尔理论玻尔理论的基础：Planck

的量子论（黑体辐射）

物质吸收和发射能量是不连续的（能量是量子化的），存在能量的最小单位，即量子(quantum)。Einstein

光子学说（光电效应）

当能量以光的形式传播时，其最小的单位是光量子——即光子（photon），并有

E=hυ

其中h

是普朗克常量——6.62610-34J.s。FujianNormalUniversityChapter11第二十页，共二十九页，编辑于2023年，星期日

玻尔的几点假设1913年，丹麦物理学家玻尔在氢及类氢原子（只有一个电子，如He+、Li2+

）光谱的实验基础上，提出了原子结构理论的几点假设：1.与经典力学不同，电子只能在某些特定的轨道上运动其中：v是电子运动速度

，

r是轨道半径，me是电子质量，Z是类氢原子的核电荷数，e是电子电荷，ε0是（真空介电）常数（或称真空电容率），n是正整数。不要求记忆（可参考P494推导）FujianNormalUniversityChapter11第二十一页，共二十九页，编辑于2023年，星期日电子在这些特定轨道上运动不吸收或放出能量，所以这些轨道称为定态轨道。对于氢原子，Z=1，可得r=0.529×10-10×n2m=a0n2

其中a0称为玻尔半径，也就是玻尔理论中氢原子电子运动的最小半径。FujianNormalUniversityChapter11第二十二页，共二十九页，编辑于2023年，星期日轨道半径越大，能量（包括动能和势能）越高（解释，P494能量计算）。正常状态下，原子中的电子尽可能在离核最近、能量最低的轨道上运动——基态（半径a0

）。如果获得能量，电子可以跃迁到较高能量的激发态。电子的能量也是量子化的，不能取连续值。其中B=2.18×10-18J（书上P495单位不好）。FujianNormalUniversityChapter11第二十三页，共二十九页，编辑于2023年，星期日3.处于激发态的电子不稳定，容易跳回到能量较低的轨道,同时以光的形式放出能量，光子能量大小取决于两个轨道的能量差。En(2)-En(1)=hυ

h—普朗克常量υ—光的频率FujianNormalUniversityChapter11第二十四页，共二十九页，编辑于2023年，星期日玻尔模型的成功与局限性成功——解释了氢原子和类氢原子的光谱现象，推动了原子结构的认识。局限性——只能解释单电子原子（或离子）光谱的一般现象（还不能解释精细结构），不能解释多电子原子光谱。因为它是以经典理论为基础的，但又生硬地加上经典理论不能接受的假设，如定态不辐射、量子化条件等，因此注定它是个不完善的理论。玻尔理论的缺陷，促使人们去研究和建立能描述原子内电子运动规律的量子力学原子模型。FujianNormalUniversityChapter11第二十五页，共二十九页，编辑于2023年，星期日12.1.2微观粒子的波粒二象性

1.光的波粒二象性关于光是粒子还是波的讨论持续了很长时间，人们最终认识到光同时具有微粒（吸收、发射、光电效应）和波动（干涉、衍射）的性质。结合爱因斯坦的质能方程理解光的动量：上述动量关系式将表现光粒子性的动量、能量和表现光波动性的频率、波长联系起来。FujianNormalUniversityChapter11第二十六页，共二十九页，编辑于2023年，星期日2.微观粒子的波粒二象性

物质波1924年，德布罗依将波粒二象性推广到所有微观粒子。这种微观粒子的波称为德布罗依波或物质波，并有德布罗依关系式：FujianNormalUniversityChapter11第二十七页，共二十九页，编辑于2023年，星期日1927年，德布罗依的大胆假设被戴维逊和盖革的电子衍射实验所证实——电子具有光波那样的衍射现象（左图。衍射是指波经过小孔或狭缝等障碍物方向和强度发生改变的现象），称为电子波。而且，通过衍射图样计算电子的波长，也与德布罗依关系式相符。多电子衍射花样（动画）FujianNormalUniversityChapter11第二十八页，共二十九页，编辑于2023年，星期日物质波的含义——由于动量为p的自由粒子和波长为h/p的（平面）