实验五讨论报告(初稿)

化学动力学在反应进程中的重要性和举例说明完成日期：2012年10月27日作者：徐璐颖刘薇吴亦歌刘春宏戴安婧刘树青生命科学院指导老师：王睿博一 摘要在日常生活和化学生产过程中涉及到的化学反应的反应速率与化学动力学密切相关。通过列举实际生产生活中的具体事例来说明化学动力学在反应进程中的影响。二前言讨论背景：一个化学反应的反应速率与化学动力学紧密相关。而在化学生产过程中，化学反应速率与化学反应程度同样都会影响生产成本。讨论意义：可以通过从化学动力学方向来考虑，从而在生产过程中相应的降低反应成本提高反应速率和生产效率。三、内容（一）化学动力学1、概念简介化学动力学也称反应动力学、化学反应动力学，是物理化学的一个分支，研究化学反应的反应速率及反应机理。它的主要研究领域包括：分子反应动力学、催化动力学、基元反应动力学、宏观动力学、表观动力学等，也可依不同化学分支分类为有机反应动力学及无机反应动力学。化学动力学往往是化工生产过程中的决定性因素。其基础是统计力学、量子力学和分子运动论。2、本实验报告涉及的子概念简介eq\o\ac(○,1)化学反应速率其有关概念在理论课和实验手册中已有比较详细的介绍，在此不再赘述。eq\o\ac(○,2)化学反应机理虽然化学方程式中各物质的计量比看似简单，但微观上，一个化学反应通常是经过几步完成的，描述化学反应的微观过程的化学动力学分支称为反应机理。反应机理中，每一步反应称作基元反应，基元反应中反应物的分子数总和称为反应分子数。反应机理由一个或多个基元反应所组成，这些基元反应的净反应即为表观上的化学反应。eq\o\ac(○,3)速率控制步骤基元反应中，反应速率最慢的一个称为速率控制步骤，简称“速控步”，是决定总反应的速率的步骤。正如从酒瓶中倒酒时，决定酒的流速的是瓶颈的直径一样，速率控制步骤对于整个化学反应的速率也有类似的效应，称为“瓶颈效应”。通常情况下，速控步后的任何基元反应对反应速率是丝毫没有贡献的。3、与化学热力学的区别化学热力学主要考查达到反应平衡时反应进行的程度或转化率。而化学动力学是从一种动态的角度观察化学反应，研究反应系统转变所需要的时间，以及这之中涉及的微观过程。（二）通过合成氨工业的例子来看化学动力学的重要性1、如果不考虑化学动力学（即只从化学热力学角度出发考察合成氨反应）在298K，1bar的条件下ΔH=-46.19KJ/molΔG=-16.64KJ/molΔS=-0.09916KJ/(mol·K)K=2.920这是一个焓和熵同时减小的反应，在温度较低时有利于反应自发进行。降低温度、提高压力，有利于平衡向生成氨的方向移动。而在实际的合成氨工业中，采用的反应条件为500摄氏度左右，并同时采用了催化剂，这些都是化学热力学无法解释的。2、从化学动力学角度来考察合成氨反应根据我们查到的资料，以铁触媒作催化剂的合成氨反应机理大致可分三步：eq\o\ac(○,1)氮气和氢气化学吸附到铁表面N2+2(Fe)→2N(Fe)H2+2(Fe)→2H(Fe)eq\o\ac(○,2)表面反应生成NH3(Fe)eq\o\ac(○,3)NH3脱离铁表面在以上这些反应中，氮气分子的吸附分解所需活化能最大，反应速率最慢，为合成氨反应中“速控步”。从微观的角度，氮氮三键的键能为941KJ/mol，是一个很大的数值，也可以来理解“氮气分子的吸附分解所需活化能最大”这一点。而在没有催化剂催化的条件下，氮气分子分解将是一个更为缓慢的过程。氮气分解的缓慢制约了总反应速率，合成氨反应在常温下是一个十分缓慢的过程。这就是合成氨工业没有在常温下进行这个反应的原因（虽然该反应在常温下是自发的,且转化率较高）。为了提高反应速率，工业上采用的做法是升温、加压和使用催化剂铁触媒。前两种是增加了气体分子碰撞的概率，最后一种是改变了反应进程，降低了活化能。至于最终的反应温度确定在500摄氏度左右，首先是加快反应速度（升温）和提高平衡时转化率（降温）相互协调的结果，但更重要的是考虑到铁触媒的催化最适温度。四、结论通过对合成氨反应的分析，我们可以发现：在实际工业应用中，仅通过化学热力学来决定反应的温度和其他条件是不够的。反应速率的低下将带来严重的效率问题