第三章 化学反应速率和化学平衡.ppt

1、基础化学,主讲人：王斌,第三章 化学反应速率和化学平衡,基础化学,化学反应速率,化学平衡,化学反应进行的快慢,化学反应进行的程度,3.1 化学反应速率,3.1.1 化学反应速率的表示法,化学反应速率：在一定条件下，单位时间内某化学反应 中某反应物浓度的减少或某生成物浓度的增加。,反应,恒温下，平均反应速率,基础化学,（1）对于反应物（如A）,(2) 对于生成物 (如D),时间单位可根据反应的快慢程度用秒（s），分（min）， 小时（h）、天（d）等。,浓度c的单位一般是mol/L；,基础化学,试计算以各物质的浓度表示的平均速度。,解： 分别以N2O5、NO2、O2的浓度变化来表示反应速率,基础

2、化学,结论：化学反应中各物质的反应速率之比等于化学方程式 中各物质的化学计量数之比。,因为化学反应中各物质的量改变值之比等于该化学方程式的系数之比，而在反应体系中各物质在同一容器中，在相同时间内发生反应，故各物质的反应速率之比总是等于化学方程式的系数比。即：,基础化学,答案：D,基础化学,答案：B,B,基础化学,3.1.3 影响化学反应速率的因素,因 素,内因: 反应物的性质(主要因素),(不同的反应具有不同的性质),外因:,温度:,浓度:,压强:,催化剂:,在其他条件不变的条件下:,说明：(1) 反应物是固体、液体时改变压强对反应速率无影响。 (2) 催化剂在反应前后质量不变; 不同的反应需

3、不同的催化剂; 催化剂 在一定的温度范围内活性最大; 催化剂遇有害物质会“中毒”。 (3) 以上四种因素对可逆反应中的正、逆反应速率都会产生影响。,浓度大 反应快,温度高 反应快,压强大 反应快,明显加快,为什么浓度能影响化学反应速率呢？,反应物分子,活化分子,碰撞,有效碰撞,旧化学键断裂,新化学键生成,少数能量较高,能发生反应的碰撞,有效碰撞理论,有合适的取向,反应物浓度与有效碰撞次数关系,因此，单位体积内活化分子的数目与单位体积内反应物分子的总数成正比，也就是和反应物的浓度成正比。,当浓度增大时，单位体积内活化分子的数目增加，有效碰撞的次数也增多，反应速率增大。,在其他条件不变时，对一个反

4、应来说，活化分子在 反应中所占的百分数是一定的。,1、浓度对化学反应速率的影响,基础化学,浓度增大,单位体积内活化分子的数目增大,碰撞机会增多,有效碰撞增多,反应速率增大,基础化学,备注,2、反应速率快慢与浓度有关，而与物质的总量无关。,3、相同量的固体参加反应，表面积越大，反应速率越快。,1、浓度对反应速率的影响，只适用于气体与液体， 不适用于固体。,例、把下列四种X溶液分别加进4个均盛有10mL2mol/L盐酸的烧杯中，并立即都加入水稀释至50mL，此时X和盐酸进行反应，其中反应速率最快的是 A、20mL,2.5mol/L B、20mL,2mol/L C、10ml,5mol/L D、30m

5、L,2mol/L,D,例、对10mL 1mol/L盐酸与一小块大理石的化学反应 CaCO3 + 2HCl= CaCl2 + CO2 + H2O,下列措施能使化学反应速率提高的是 A、加入一定量的CaCl2 B、加入5mL 1.5mol/L盐酸 C、加入15mL 0.5mol/L盐酸 D、加入5mL H2O,B,2、压强对化学反应速率的影响,在温度一定时，一定量气体的体积与其所受压力成反比,当压强增加到原来的2倍时，气体的体积就缩小到原来的1/2，单位体积内的分子数就增大到原来的2倍。即气体反应物的浓度增大，反应速率增大。,结论,对有气体参加的反应，若其他条件不变，增大压强，反应速率加快；减小压

6、强，反应速率减慢,备注,1、全部由固体或液体参加的反应，压强的改变对反应速率没有影响。,2、压强对反应的影响本质上是浓度的影响。当用不同方法改变反应的压强时，应从本质出发，具体分析。 若气体反应物浓度增大，则反应速率增大。若浓度不变，则反应速率不变；浓度减小，反应速率减小。,例、在一密闭容器中，加入SO2和O2发生2SO2 + O2 = 2SO3， 试分析下列情况对反应速率的影响。,1、容器体积变为原来的2/3,气体反应物浓度增大,反应速率增大,2、容器体积不变，加入SO2，（O2）,气体反应物浓度增大,化学反应速率增大,3、恒温、恒压时，充入惰性气体,要保持压强不变,体积增大,浓度减小,反应

7、速率减慢,4、恒温、恒容时，充入惰性气体,体积不变,浓度不变,反应速率不变,3、温度对化学反应速率的影响,当其他条件不变的的情况时，升高温度可以增大反应速率。,结论,原理,升高温度时反应物的能量增加，使一部分原来能量较低的分子变为活化分子，增加了 反应物中活化分子的 百分数，从而使有效碰撞的次数增多，反应速率加快。,经验规律,温度每升高10，化学反应速率通常增大到原来的24倍。,升高温度，反应物能量增加,活化分子增多,有效碰撞增多,反应速率增大,1、温度对反应速率的影响，无论是放热反应，还是吸热反应都适用。,2、温度对反应速率的影响，无论固体、液体、气体都适用。,阿伦尼乌斯总结反应速率常数k和

8、温度T的关系,或,A指前因子；R为气体常数；T为热力学温度。,基础化学,T变化不大时，Ea和A可以看作是常数。,设T1时速率常数为k1；T2时速率常数为k2,（1）,（2）,（2）式-（1）式，得,基础化学,4、催化剂对化学反应速率的影响,实验,在两支试管里分别加5mL质量分数为5%的H2O2溶液和3滴洗涤剂； 向其中一支试管加少量MnO2粉末，,现象,加入MnO2的试管，立即产生大量的气泡。没有加入MnO2的试管只有少量气泡出现,结论,催化剂能够改变化学反应速率,催化剂：在反应前后质量和化学性质都保持不变的物质,催化剂有正、负之分。,能加快化学反应速率的催化剂叫正催化剂,能减慢化学反应速率的

9、催化剂叫负催化剂,催化剂中毒,催化剂的催化性能因接触少量杂质而明显下降甚至遭到破坏，称为催化剂中毒。,为防止催化剂中毒，应对原料进行净化。,正催化剂能加快反应速率的原因。,它能够降低化学反应所需要的能量，使更多的反应物分子成为活化分子，增加了单位体积内活化分子的质量分数。,催化剂,反应所需能量降低,活化分子增多,反应速率加快,对于可逆反应，催化剂对正、逆反应速率的影响是等同的,5、其他因素对化学反应速率的影响,光、超声波、放射线、电磁波、反应物颗粒大小、溶剂等对反应速率也有影响。,在各种外界条件中，温度对反应速率的影响能适应所有的反应。,基础化学,基础化学,2、把0.6molX气体和0.4mo

10、lY气体混合于2L容器中，发生反应：3X(g) + Y(g) = n Z ( g) + 2W(g) .5min末已生成0.2molW，若测知以Z浓度的变化来表示平均速率为0.01mol/(Lmin),则 (1) 上述反应Z气体的计量系数n的值是_ (2) 上述反应在5min末时，已用去的Y占原来物质的 质量分数是_,1,25%,基础化学,3、一定温度下，向一个容积为2L的事先装入催化剂的真空密闭容器中通入1mol氮气和3mol氢气，3min后测得容器内的压强是起始时压强的0.9倍，在此时间内，用氢气的量的变化来表示的该反应的平均反应速率v(H2)是： A、0.2mol/(Lmin) B、 0.

11、6mol/(Lmin) C、 0.1mol/(Lmin) D、 0.3mol/(Lmin),C,基础化学,4、一定量的盐酸跟过量的铁粉反应时，为了减缓反应速率，且不影响生成氢气的总量，可向盐酸中加入适量的（ ） A.NaOH(固) B.H2O C.NH4Cl(固) D.CH3COONa(固),BD,基础化学,活化能是指化学反应中，由反应物分子到达活化分子 所需的最小能量。,反应的活化能太大，反应速率越慢； 反应的活化能越小，反应速率越快。,活化能,通常Ea在60250kJ/mol。,Ea250kJ/mol，速率慢的难以察觉。,反应的焓变,正反应吸热,正反应放热,基础化学,复杂反应,第一步,第二

12、步,总反应是两步反应的加和。,化学动力学上将反应分为：,基元反应,一步就能完成的反应；,由两个或两个以上的基元反应构成,对于基元反应，在一定温度下，其反应速率与各反应 物浓度幂的乘积成正比，浓度的幂在数值上等于基元反应 中反应物的计量系数。这一规律称为质量作用定律。,在一定温度下，基元反应：,质量作用定律,速率方程,相同条件下，k值越大，反应速率越快。,各浓度项幂次的总和（a+b）称为反应的总级数， a和b分别为反应物A和反应物B的分级数。,反应级数的意义： 表示了反应速率与物质的量浓度的关系； 零级反应表示了反应速率与反应物浓度无关,质量作用定律使用条件及范围,（1）适用基元反应，不适用复杂

13、反应。,（2）稀溶液中的反应，若有溶剂参加反应，其浓度 不写入质量作用定律表示式。,（3）有固体或纯液体参加的多相反应，若它们不溶于 其他介质，则其浓度不写入质量作用定律表达式。,（4）气体的浓度可以用分压代替。,基础化学,3.2 化学平衡,一、化学反应的可逆性和化学平衡,1.化学平衡及特征,在一定条件下，既能向正方向进行又能向逆方向进行 的反应称可逆反应。如反应： CO（g）+H2O（g） H2（g）+CO2（g） 在高温下CO与H2O能反应生成H2和CO2，同时H2与 CO2也能反应生成CO和H2O。对这样的反应，为强调可 逆性，在反应式中常用 代替等号。,基础化学,化学平衡及特征,（平衡

14、线）,t,V,V+,V-,V+= V-,基础化学,几乎所有反应都是可逆的，只是有些反应在已知的条件下逆反应进行的程度极为微小，以致可以忽略，这样的反应通常称之为不可逆。如KClO3加热分解便是不可逆反应的例子。,基础化学,可逆反应在进行到一定程度，便会建立起平衡。例如，一定温度下，将一定量的CO和H2O加入到一个密闭容器中。反应开始时，CO和H2O的浓度较大，正反应速率较大。一旦有CO2和H2生成，就产生逆反应。开始时逆反应速率较小，随着反应进行，反应物的浓度减少，生成物的浓度逐渐增大。正反应速率逐渐减少，逆反应速率逐渐增大。当正、逆反应速率相等时，即达到平衡状态。正、逆反应速率相等时的状态叫

15、做化学平衡。,基础化学,化学平衡有两个特征：,（1）化学平衡是一种动态平衡。表面上看来反应似乎已停止，实际上正逆反应仍在进行，只是单位时间内，反应物因正反应消耗的分子数恰等于由逆反应生成的分子数。 （2）化学平衡是暂时的、有条件的平衡。当外界条件改变时，原有的平衡即被破坏，直到在新的条件下建立新的平衡。,2. 化学平衡常数,(1)实验平衡常数,在一定温度下液相达平衡时，都能建立如下的关系式：,Kc为浓度平衡常数；单位： (moldm-3) B B = (e + d) (a+b) ， B = 0 时，Kc量纲为1， B 0 时，Kc有量纲。,生成物浓度幂的乘积，除以反应物浓度幂的乘积为一常数Kc

16、。 由上式可见，Kc值越大，表明反应在平衡时生成物浓度的乘积越大，反应物浓度的乘积越小，所以反应进行的程度越高。,对气体反应，还可用气体的分压代替浓度。平衡常数表达式可写成Kp，称压力经验平衡常数。,Kp为压力平衡常数,B = 0 时，Kp量纲为1 B 0 时，Kp有量纲,Kp =,式中(A)、(B)、(D)、(E)分别代表A、B、D、E各物质的 平衡分压。,aA(g) + bB(g) dD(g) + eE(g),例如生成HI反应 H2(g) + I2(g) =2HI(g) 平衡常数表达式可写成Kp，称压力经验平衡常数。,KP与KC的关系,反应物生成物都近乎理想气体 气态方程 p = cRT

17、KP = KC(RT) (只应用于单纯气态反应),(2)标准平衡常数（热力学平衡常数）,式中p(D)/p、p(G)/p、p(A)/p、p(B)/p分别为D、G、A、B平衡时的相对分压； 标准压力p100kPa。,平衡常数表达式,对气相反应： a A(g) + b B(g) gG(g) + dD(g),式中c(D)/c、c(G)/c、c(A)/c、c(B)/c分别为D、G、A、B平衡时的相对浓度，标准浓度c=1molL-1。K的量纲为一。,溶液中的反应 aA + bB gG + dD,书写和应用平衡常数的几点说明： 平衡常数表达式需与计量方程式相对应，同一化学 反应用不同计量方程式表示时，平衡常

18、数表达式不 同，得到的数值也不同。 例 N2 (g) + 3 H2 (g) 2NH3 (g) K1 = 1.60 10 5 1/2N2 (g) + 3/2 H2 (g) NH3 (g) K2 = 3.87 10 2 K1 K2 ， K1 = K22,如合成氨反应,显然， ，而是 = =1/,N2 + 3H2 = 2NH3,（1）,（2）,（3）,纯固体与纯液态及水溶液中参加反应的水的 浓度在平衡常数表达式中不出现；,例： Ca2CO3 (s) CaO + CO2, 写入平衡常数表达式中各物质的浓度或分压，必须是在系统达到平衡状态时相应的值。气体只可用分压表示。, 平衡常数的意义 平衡常数是可逆反应的特征常数。对同类反应来说K越大，反应进行得越完全。, 温度发生改变，化学反