化学反应速率与化学平衡 (2)

1、关于化学反应速率与化学平衡 (2)现在学习的是第一页，共58页反应速率反应速率快快 ，如爆炸反应，中和反应。，如爆炸反应，中和反应。慢慢，金属的锈蚀，食品的腐烂，金属的锈蚀，食品的腐烂，塑料的老化等。塑料的老化等。3.1 化学反应速率化学反应速率定义：定义： 化学反应速率指在一定条件下，反应物转变为生成物的化学反应速率指在一定条件下，反应物转变为生成物的速率。速率。 化学反应速率经常用单位时间内反应物浓度的减少或化学反应速率经常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生成物浓度的增加来表示,单位常用单位常用molL-1S-1表示。表示。现在学习的是第二页，共58页 例如：例如：N2

2、O5在四氯化碳溶液中按下面反应方程式分解：在四氯化碳溶液中按下面反应方程式分解： 2N2O54 NO2 O2 从从t1到到t2的时间间隔的时间间隔用用t=t2-t1表示，表示， t1 、 t2时的浓度分别用时的浓度分别用N2O51和和N2O52表示，则在表示，则在t时间间隔内，浓度的改变量时间间隔内，浓度的改变量 N2O5 = N2O52- N2O51 。用反应物浓度的减少来表示在时间间。用反应物浓度的减少来表示在时间间隔隔t内的平均反应速率为内的平均反应速率为3.1.1 反应速率的表示方法反应速率的表示方法 反应物反应物 产物产物2525 225 12521N ON ON ON Ovttt

3、2525 225 12521N ON ON ON Ovttt 现在学习的是第三页，共58页 c 产物产物 反应物反应物 t1. 平均速率平均速率tcttccv 1 12 21 12 2时间时间：秒：秒(s)、分、分(min)、时时(h)。浓度浓度：mol / L往往用单位时间内反应物或生成物浓度变化的正往往用单位时间内反应物或生成物浓度变化的正值（或绝对值）表示。值（或绝对值）表示。现在学习的是第四页，共58页【例】【例】 N2 + 3H2 = 2NH3初始初始 t1 1.0 3.0 0.0 molL-12秒后秒后 t 2 0.8 2.4 0.4 molL-1 1 11 11 10 02 20

4、 01 18 80 02 2 sLmol.N ,sLmol.H1 11 13 30 02 2 1 11 12 20 03 3 sLmol.NH 1 11 11 10 02 23 31 13 32 22 2 sLmol.NHHN 现在学习的是第五页，共58页一般的化学反应：一般的化学反应： a A + dD = gG + h HhgdaHGDA 2. 瞬时速率瞬时速率 时间间隔时间间隔t 趋于无限小趋于无限小(t 0)时的平均速率的极限。时的平均速率的极限。dtdctcAAAlim1 1 1 1ADGHatdtgtht 现在学习的是第六页，共58页 1 dcA 1 dcD = - . = - .

5、 a dt d dt 1 dcG 1 dcH = . = . g dt h dtct反应物反应物dcA/dt为导数，它为导数，它的几何意义是的几何意义是c-t曲曲线上某点的斜率。线上某点的斜率。一般的化学反应：一般的化学反应： a A + dD = gG + h H现在学习的是第七页，共58页3.2 反应速率理论简介反应速率理论简介两个理论两个理论过渡状态理论过渡状态理论碰撞理论碰撞理论3.2.1 碰撞理论（基本要点）碰撞理论（基本要点） 1. 分子必须经过分子必须经过碰撞碰撞才可能发生反应。才可能发生反应。 2. 能量高于某个定值的分子称为能量高于某个定值的分子称为活化活化分子分子，活化分子

6、间碰撞才可能发生反应。，活化分子间碰撞才可能发生反应。 3. 活化分子间活化分子间方向合适的碰撞方向合适的碰撞才能发生才能发生反应，能发生反应的碰撞称为反应，能发生反应的碰撞称为有效碰撞有效碰撞。现在学习的是第八页，共58页NO(g) + O3 = NO2(g) +O2(g)现在学习的是第九页，共58页N：气体分子总数：气体分子总数E平平 E1 EEaENN 气体分子的能量分布气体分子的能量分布E1：活化分子的平均能量活化分子的平均能量Ea：反应的：反应的活化能活化能N：某能量区间的分子数：某能量区间的分子数阴影面积阴影面积: 活化分子活化分子百百分分 数数( f )现在学习的是第十页，共58

7、页活化能：活化能：在某温度下，反应物分子的平均在某温度下，反应物分子的平均能量和活化分子的平均能量只差为该反应的活能量和活化分子的平均能量只差为该反应的活化能化能,符号符号Ea。 单位：单位：kJmol-1 相同条件下相同条件下，Ea越大，活化分子百分数（越大，活化分子百分数（f） 越小，反应越慢。反之，越小，反应越慢。反之，Ea越小，越小，f 越大，反应越快。越大，反应越快。 Ea的大小与反应本性的大小与反应本性(物质的分子结构、物质的分子结构、化学键化学键)有关。有关。碰撞理论中，碰撞理论中，Ea只能由实验来只能由实验来确定。确定。现在学习的是第十一页，共58页3.2.2 过渡态理论简介过

8、渡态理论简介A + B-C ABC A-B + C 活化配合物活化配合物快快慢慢活化能：活化能：过渡状过渡状态理论中把过渡状态态理论中把过渡状态具有的最低能量与反具有的最低能量与反应物能量之差称为活应物能量之差称为活化能化能EaH = Ea1 - Ea2 A B C E Ea1A+BCH Ea2AB+CH 0，吸热反应，吸热反应现在学习的是第十三页，共58页EnergyReaction coordinateReactantsProducts现在学习的是第十四页，共58页3.3 影响化学反应速率的主要因素影响化学反应速率的主要因素影响反应速率的因素影响反应速率的因素： 内因内因: 与反应的本性与

9、反应的本性 ( 物质的分子结构、化物质的分子结构、化学键等学键等 )有关。有关。 外因外因: 浓度、温度、催化剂浓度、温度、催化剂.现在学习的是第十五页，共58页1. （基）元反应和非元反应（基）元反应和非元反应 （基）元反应（基）元反应：反应物分子一步作用直接反应物分子一步作用直接转化成生成物的反应。转化成生成物的反应。 简单反应简单反应：由一个基元反应构成的化学反应称由一个基元反应构成的化学反应称为简单反应。例：为简单反应。例：N2O4 = 2NO2 是简单反应，是简单反应，也也是基元反应。是基元反应。 复杂反应复杂反应：由两个或两个以上的基元反应构由两个或两个以上的基元反应构成的反应称为

10、复杂反应。成的反应称为复杂反应。3.3.1 浓度对反应速率的影响浓度对反应速率的影响现在学习的是第十六页，共58页例例：复杂反应：复杂反应 2H2（g） + 2NO(g) = N2(g)+2H2O(g) 2NO+H2 = N2 +H2O2 (慢）慢） H2 + H2O2 = 2H2O （快）（快） 绝大多数化学反应都是复杂反应，绝大多数化学反应都是复杂反应，因因此，一般的反应方程式，除非特别说明是基此，一般的反应方程式，除非特别说明是基元反应，否则不能当作基元反应。元反应，否则不能当作基元反应。现在学习的是第十七页，共58页例：例：基元反应基元反应 NO2 + CO = NO + CO2 CO

11、NOcc2 2 CONOckc2任一任一基元反应基元反应： a A + d D = g G + h H dDaAckc 速率常数速率常数速率方程速率方程 2.质量作用定律质量作用定律： 在一定温度下，元反应的反应速率与各在一定温度下，元反应的反应速率与各反反应物应物浓度幂的乘积成正比。浓度幂的乘积成正比。现在学习的是第十八页，共58页 k 的物理意义：的物理意义：在一定的条件下在一定的条件下(温度、催温度、催化剂化剂)，反应物浓度均为，反应物浓度均为1mol/L时的反应时的反应速率。速率。 1. 反应不同，反应不同，k值不同。值不同。 2. 同一反应，温度不同同一反应，温度不同k值不同。值不同

12、。 3. 同一反应，温度一定时，有无催同一反应，温度一定时，有无催化剂化剂k也是不同的。也是不同的。现在学习的是第十九页，共58页注意注意:： 1. 质量作用定律质量作用定律只适用于基元反应只适用于基元反应，复，复杂反应的速率方程由实验确定。杂反应的速率方程由实验确定。 2. 已知反应机理的复杂反应，速率方程根据已知反应机理的复杂反应，速率方程根据最慢的基元反应最慢的基元反应来写。来写。 3. 均匀体系中，纯固体、纯液体的浓均匀体系中，纯固体、纯液体的浓度视为常数，不写入速率方程。度视为常数，不写入速率方程。 4.4.对于气体反应，当体积恒定时，各组分气体的对于气体反应，当体积恒定时，各组分气

13、体的分压与浓度成正比，即分压与浓度成正比，即 V=kpaApdD现在学习的是第二十页，共58页例例： 2N2O5 = 4 NO2 + O2 N2O5 = N2O3 + O2 （慢慢） N2O3 = NO2 + NO （快）（快） 2NO + O2 = 2NO2 （快）（快）5 52 2ONkc 例例： C(s) + O2(g) = CO2(g)22OOkpkc现在学习的是第二十一页，共58页 【例】【例】已知反应已知反应 aA + bB = C 在某温度下在某温度下实验测得的数据如下表，求该反应的速率方程实验测得的数据如下表，求该反应的速率方程和速率常数和速率常数k。 起始浓度起始浓度(mol

14、L-1)编号编号 cAcB初速初速(molL-1s-1) vC12 3 46.00 10-36.00 10-31.00 10-32.00 10-31.00 10-32.00 10-36.00 10-36.00 10-33.10 10-36.36 10-30.48 10-31.92 10-3现在学习的是第二十二页，共58页 起始浓度起始浓度(molL-1)编号编号 cAcB初速初速(molL-1s-1) vC12 3 46.00 10-36.00 10-31.00 10-32.00 10-31.00 10-32.00 10-36.00 10-36.00 10-33.10 10-36.36 10-

15、30.48 10-31.92 10-3解解:： = k cAx cB y yxyx).().(k).().(k3 33 33 33 32 21 11 10 00 00 01 11 10 00 00 06 61 10 00 00 01 11 10 00 00 06 6 2 21 11 10 03 36 66 61 10 01 10 03 32 21 13 33 3 .y推出推出 y = 12.00现在学习的是第二十三页，共58页4 41 12 21 14 43 3 x x = 2同理：同理：计算计算 k 值值将（将（1）的数据代入）的数据代入 = k cA2 cB = k (6.00 10-3)

16、2 (1.00 10-3) = 3.1010-3 k = 8.61104 (L2 mol-2 s-1 ) = 8.61104 cA2 cB 现在学习的是第二十四页，共58页3. 反应级数反应级数定义定义：在速率方程中，各反应物浓度的指数：在速率方程中，各反应物浓度的指数之和称为反应的反应级数。之和称为反应的反应级数。一般的化学反应一般的化学反应: aA + bB gG + hH 若若=1，对于，对于A为一级反应；为一级反应； 若若=2，对于对于B为二级反应，为二级反应，+=3，总反应级数，总反应级数为为3。基元反应的基元反应的a，b，复杂反应复杂反应可通过实验确定其值可通过实验确定其值ABkc

17、 c现在学习的是第二十五页，共58页例例：基元反应：基元反应 NO2 + CO = NO + CO2CONOckc2 2 对于对于NO2，反应级数为，反应级数为 1，对于对于CO，反应级数是，反应级数是 1，该反应的反应级数：该反应的反应级数： 1 + 1 = 2 例：例：复杂反应复杂反应 2NO + 2 H2 = N2 + 2 H2O 2 22 2HNOckc 反应级数为反应级数为3现在学习的是第二十六页，共58页注意：注意：1. 反应级数越大反应级数越大，则反应物浓度对反应，则反应物浓度对反应速率的速率的影响越大影响越大。2. 反应级数可以是反应级数可以是整数整数，也可是，也可是分数分数或

18、或零零零级反应中反应物浓度对反应速率无影响。零级反应中反应物浓度对反应速率无影响。3. 常见的简单反应级数有：零级反应、常见的简单反应级数有：零级反应、一级反应、二级反应、三级反应。一级反应、二级反应、三级反应。现在学习的是第二十七页，共58页4.有效碰撞理论对浓度的影响的解释有效碰撞理论对浓度的影响的解释 对一指定反应，在一定温度下，反应物活化分对一指定反应，在一定温度下，反应物活化分子的百分数是一定的。子的百分数是一定的。 增加反应物的浓度，意味着增加了增加反应物的浓度，意味着增加了单位体积的活化单位体积的活化分子总数分子总数，所以增加了单位体积的活化分子数，所以增加了单位体积的活化分子数

19、，导致有效碰撞次数增加，反应速率加快。导致有效碰撞次数增加，反应速率加快。现在学习的是第二十八页，共58页 3.3.2 温度对反应速度的影响温度对反应速度的影响v 爆炸反应爆炸反应 Tv 酶催化反应酶催化反应 T现在学习的是第二十九页，共58页v2NO+1/2O2 = NO2T 绝大多数化学反应绝大多数化学反应速率速率与与温度温度呈呈指数指数关系关系，下面只讨论这类反应。，下面只讨论这类反应。 温度对反应速率的影响主要表现在温度对反应速率的影响主要表现在T对对k值的影响。值的影响。vT 呈指数关系呈指数关系现在学习的是第三十页，共58页范托夫范托夫(vant Hoff)规则规则4 42 21

20、10 0kkTT 若温度升高若温度升高10度，度，k 值增大值增大2倍倍(或或3倍倍)，则当温，则当温度升高度升高100度时：度时：)(kkTT倍倍1 10 02 24 42 21 10 01 10 00 0 )(kkTT倍倍5 59 90 04 49 93 31 10 01 10 00 0 现在学习的是第三十一页，共58页升高温度使反应升高温度使反应速率显著升高的速率显著升高的原因是什么呢？原因是什么呢？ 升温使反应物分子的升温使反应物分子的能量增加能量增加，大量的非活，大量的非活化分子获得能量后变成了活化分子，单位体积内化分子获得能量后变成了活化分子，单位体积内活化分子百分数大大增加活化分

21、子百分数大大增加，这样有效碰撞次数就增，这样有效碰撞次数就增多了，从而多了，从而反应速率显著增加反应速率显著增加。现在学习的是第三十二页，共58页阿仑尼乌斯阿仑尼乌斯(Arrhenius)经验公式经验公式 RTEaeAk A：反应的特征常数，称为指前因子：反应的特征常数，称为指前因子e ：自然对数的底数，：自然对数的底数，2.718R： 气体常数，为气体常数，为 8.314 Jmol-1K-1T： 热力学温度热力学温度 ( K )Ea：活化能：活化能 ( kJ mol-1 )现在学习的是第三十三页，共58页 RTEaef活化分子百分数活化分子百分数 温度升温度升高，活化分高，活化分子的百分数子

22、的百分数(f)增大增大是反是反应速率应速率加快加快的主要原因。的主要原因。现在学习的是第三十四页，共58页RTEaeAk 上式两边对对数：上式两边对对数：RTEAlnklna lnkT1 1现在学习的是第三十五页，共58页已知已知T1k1， T2k2，则有：，则有：1 11 1RTEAlnklna 2 22 2RTEAlnklna )TTTT(REkklna2 21 11 12 21 12 2 现在学习的是第三十六页，共58页 (1) 不同的反应，不同的反应，Ea 越大，越大，T 对对 k 影响越影响越大。大。例：例：两反应的温度都从两反应的温度都从300K 升为升为400K，Ea大的，大的，

23、k 增加得更多。增加得更多。 (2) 同一反应，低温时温度对反应速率同一反应，低温时温度对反应速率的影响较高温时大。的影响较高温时大。例：例：从从300K升为升为400K与从与从1000K升为升为1100K，前者，前者k增大得多增大得多.)TTTT(REkklna2 21 11 12 21 12 2 分析此式可知：分析此式可知：现在学习的是第三十七页，共58页【例例】已知某反应的已知某反应的Ea = 70kJmol-1, 300K时的时的k=0.1 。试计算。试计算(1)400K时反应速时反应速率为原来的多少倍？率为原来的多少倍？(2)温度由温度由1000K升到升到1100K时，反应速率为时，

24、反应速率为1000K时的多少倍时的多少倍？)(kk.)(.kklg倍倍1 11 11 15 50 05 53 33 30 00 04 40 00 03 30 00 04 40 00 03 30 03 32 23 31 14 48 81 10 00 00 07 70 03 30 00 04 40 00 03 30 00 04 40 00 0 解解：(1)现在学习的是第三十八页，共58页)(.kklg1 10 00 00 01 11 10 00 01 10 00 00 01 11 10 00 03 30 03 32 23 31 14 48 81 10 00 00 07 70 01 10 00 00

25、 01 11 10 00 0 (2)7 76 65 54 40 01 10 00 00 01 11 10 00 0.kklg )(.kk倍倍1 15 52 21 10 00 00 01 11 10 00 0 现在学习的是第三十九页，共58页【例】【例】反应反应 S2O82- + 2I- = 2SO42- + I2，已，已273K时的速率常数为时的速率常数为8.210-4，293K时速时速率常数率常数4.110-3，计算该反应的活化能。，计算该反应的活化能。解：解：根据根据)TTTT(REkklna2 21 11 12 21 12 2 )(.E.lna2 29 93 32 27 73 32 27

26、 73 32 29 93 31 10 03 31 14 48 81 10 02 28 81 10 01 14 43 34 43 3 Ea = 53.5 (kJmol-1)现在学习的是第四十页，共58页催化剂和催化作用催化剂和催化作用 催化剂：催化剂：加入少量就能加快反应而本加入少量就能加快反应而本身的化学性质和质量不变的物质。身的化学性质和质量不变的物质。催化作用的特点催化作用的特点 1. 1.高效性高效性，可以大大地加快反应速率。，可以大大地加快反应速率。3. 同等程度地加快正、逆反应的速率。同等程度地加快正、逆反应的速率。4. 不能改变反应的可能性和平衡常数不能改变反应的可能性和平衡常数.

27、2. 选择性，反应不同，催化剂不同。选择性，反应不同，催化剂不同。3.3.3 催化剂对反应速率的影响催化剂对反应速率的影响正催化剂和负催化剂正催化剂和负催化剂现在学习的是第四十一页，共58页C2H5OH (乙醇乙醇)CH3CHO(乙醛乙醛) + H2Ag55C2H4(乙烯乙烯) + H2O Al2O3355(C2H5)2O(乙醚乙醚) + H2O 浓浓H2SO4140RTEaeAk 若活化能降低若活化能降低80kJ，反应速率可增大，反应速率可增大107倍倍.现在学习的是第四十二页，共58页 催化原理：催化原理： 1. 改变反应历程，降低反应的活化能。改变反应历程，降低反应的活化能。 2. 催化

28、剂参加反应，生成不稳定的中间产物，催化剂参加反应，生成不稳定的中间产物，中间产物再反应生成产物和原来的催化剂。中间产物再反应生成产物和原来的催化剂。 A + B = AB加催化剂加催化剂 K后：后： A + K = AKAK+B = AB+KEaE2E1A+BAK+BAB+KE反应过程反应过程现在学习的是第四十三页，共58页活化能降低使活化分子数增加活化能降低使活化分子数增加现在学习的是第四十四页，共58页【例】【例】已知乙醛的催化分解与非催化分解反已知乙醛的催化分解与非催化分解反应分别为应分别为: CH3CHO = CH4+CO Ea催催=36 kJmol-1 CH3CHO=CH4+CO E

29、a = 190 kJmol-1若反应若反应与与的指前因子的指前因子A近似相等，试求近似相等，试求在在300K时，反应时，反应 的反应速度是反应的反应速度是反应的多少倍。的多少倍。催催现在学习的是第四十五页，共58页解：解：RTEaeAk催催催催 RTEaeAk RTEERTERTEaaaaeAeAekk 催催催催催催9 93 30 00 03 31 14 48 81 10 05 54 41 10 05 52 23 3 .ekk.催催现在学习的是第四十六页，共58页均相催化和多相催化均相催化和多相催化 均相催化：均相催化：反应物与催化剂处于同一相反应物与催化剂处于同一相。 例例：2SO2(g)+

30、O2(g)=2SO3(g) NO作催化剂作催化剂 S2O82-+2I - =2SO42- +I2 Cu2+ 作催化剂作催化剂多相催化：多相催化：催化剂与反应物处于不同的相中，催化剂与反应物处于不同的相中，反应在催化剂表面进行。反应在催化剂表面进行。例例: C2H4 + H2 = C2H6 Ni 作催化剂作催化剂 N2 +3H2 = 2NH3 Fe 作催化剂作催化剂现在学习的是第四十七页，共58页 多相催化原理多相催化原理：反应物被吸附在催化：反应物被吸附在催化剂的表面，使反应物部分化学键被削弱，剂的表面，使反应物部分化学键被削弱，从而较易进行反应生成产物，反应后产物从而较易进行反应生成产物，反应后产物从催化剂表面解吸。从催化剂表面解吸。催化剂表面的吸附示意图催化剂表面的吸附示意图 多相催化多相催化作用仅仅发生作用仅仅发生在催化剂表面在催化剂表面,所以所以催化作用能催化作用能力的大小力的大小与催化与催化剂的剂的表面表面积大小积大小密切相密切相关。关。现在学习的是第四十八页，共58页 酶催化酶催化 生物体内存在着的一类具有催化能力的蛋白质称为生物体内存在着的一类具有催化能力的蛋白质称为酶酶。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。 R