氣體反應(yīng) 大氣污染

1、氣體反應(yīng) 大氣污染第1頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四了解大氣的主要污染物，溫室效應(yīng)、臭氧層空洞、酸雨及光化學(xué)煙霧等綜合性大氣污染及其控制。(1) 了解濃度、溫度與反應(yīng)速率的定量關(guān)系；了解元反應(yīng)和反應(yīng)級數(shù)的概念；能用阿侖尼烏斯公式進行初步計算；能用活化能和活化分子的概念，說明濃度、溫度、催化劑對化學(xué)反應(yīng)速率的影響。(2) 掌握 的關(guān)系及有關(guān)計算，理解濃度、壓力和溫度對化學(xué)平衡的影響。 本章教學(xué)要求第2頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四2 3.1 理想氣體 3.2 化學(xué)反應(yīng)速率 3.3 化學(xué)平衡 3.4 大氣污染與防治 本 章 內(nèi) 容第3頁，共81頁

2、，2022年，5月20日，7點43分，星期四33.1.1 理想氣體狀態(tài)方程式3.1.2 分壓定律3.1 理 想 氣 體第4頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四4氣體的最基本特征：具有可壓縮性和擴散性。 人們將符合理想氣體狀態(tài)方程的氣體， 稱為理想氣體。 理想氣體分子之間沒有相互吸引和排斥，分子本身的體積相對于氣體所占有體積完全可以忽略。3.1.1 理想氣體狀態(tài)方程式第5頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四5pV = nRT R- 摩爾氣體常數(shù)在STP下，p =101.325kPa, T=273.15Kn=1.0 mol時, Vm=22.414L=22.4

3、1410-3m3 R=8.314 kPaLK-1mol-1理想氣體狀態(tài)方程式第6頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四6計算p，V，T，n四個物理量之一氣體摩爾質(zhì)量的計算M = Mr gmol-1理想氣體狀態(tài)方程式的應(yīng)用 用于溫度不太低，壓力不太高的真實氣體。pV = nRT第7頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四7 = = m / V氣體密度的計算：即：第8頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四8組分氣體： 理想氣體混合物中每一種氣體叫做組分氣 體。分壓： 組分氣體B在相同溫度下占有與混合氣體相同體積時所產(chǎn)生的壓力，叫做組分氣體B的分壓

4、。 3.1.2 分壓定律第9頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四9分壓定律 混合氣體的總壓等于混合氣體中各組分氣體分壓之和。 p = p1 + p2 + 或 p = pB 其中： n =n1+ n2+ 則：即：第10頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四10分壓的求解：式中：xB B的摩爾分數(shù)（）（）（）/ （） 得：即：第11頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四11 例： 某容器中含有NH3、O2 、N2等氣體的混合物。取樣分析后，其中n(NH3)=0.320mol，n(O2)=0.180mol，n(N2)=0.700mol；混合氣體

5、的總壓p=133.0kPa。試計算各組分氣體的分壓。解：n= n(NH3)+n(O2)+n(N2)=1.200mol=0.320mol+0.180mol+0.700mol第12頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四12p(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa第13頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四133.2 化學(xué)反應(yīng)速率3.2.1 反應(yīng)速率的表示方法3.2.2 反應(yīng)速率的影響因素第14頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四14如果體積不變：3.2.1 反應(yīng)速率的表示方

6、法注意: 是反應(yīng)方程的計量數(shù)，反應(yīng)物取負值，生成物取正值。 1. 瞬時速率 第15頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四15aA + bB yY + zZ對于一般的化學(xué)反應(yīng)：例:N2(g)+3H2(g)2NH3(g)第16頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四162. 平均速率某一有限時間間隔內(nèi)濃度的變化量。即為瞬時速率。第17頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四17例：在給定條件下，H2與N2在密閉容器中合成NH3的反應(yīng)，各物質(zhì)濃度變化如下： 起始濃度c0/molL-1 1.0 3.0 02s后濃度c/molL-1 0.8 2.4 0.

7、4濃度的改變量c/molL-1 -0.2 -0.6 +0.4N2(g)+3H2(g)2NH3(g)解：第18頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四18 由該題可知：同一反應(yīng)，在相同時間段內(nèi)，無論用反應(yīng)物還是生成物所求的反應(yīng)速率結(jié)果相同。第19頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四191.濃度的影響 3.2.2 反應(yīng)速率的影響因素對于一般的化學(xué)反應(yīng)：該式被稱為反應(yīng)速率方程式。第20頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四20,反應(yīng)級數(shù)： 對反應(yīng)物A反應(yīng)級數(shù)為； 對反應(yīng)物B 反應(yīng)級數(shù)為 ； 總反應(yīng)級數(shù) 為 + 。注意：，必須通過實驗確定其值。通常

8、 a，b。 k稱為速率常數(shù)：其數(shù)值不受濃度（或壓強）的影響，但受溫度的影響。其量綱由反應(yīng)級數(shù)確定。第21頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四21元反應(yīng)（基元反應(yīng)）：由反應(yīng)物直接生成產(chǎn)物的反應(yīng)（反應(yīng)過程無中間產(chǎn)物生成） 復(fù)合反應(yīng)（復(fù)雜反應(yīng)） ：由兩個或兩個以上的反應(yīng)組合而成的總反應(yīng)。（在復(fù)合反應(yīng)中,可用實驗檢測到中間產(chǎn)物的存在,但它被后面的一步或幾步反應(yīng)消耗掉,因而不出現(xiàn)在總反應(yīng)方程式中。）第22頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四22對于通式： aA + bB = gG + dD = kc(A)a . c(B)b若為元反應(yīng)，則反應(yīng)速率方程為質(zhì)量作用定律：

9、對于元反應(yīng)(即一步完成的反應(yīng))，反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度（以計量數(shù)為指數(shù)）的乘積成正比。第23頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四23 故：由質(zhì)量作用定律可以直接寫出一個元反應(yīng)的反應(yīng)速率方程，并確定出其反應(yīng)級數(shù) 2NO + O2 2NO2 = k c(NO)2 . c(O2) 三級反應(yīng)例如： C2H5Cl C2H4 + HCl = k c(C2H5Cl ) 一級反應(yīng) NO2 + CO NO + CO2 = k c(NO2 ) . c(CO) 二級反應(yīng)第24頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四24對于復(fù)雜反應(yīng)：2NO + 2H2 N2 + 2H2O反應(yīng)機理：又

10、稱反應(yīng)歷程，即組成復(fù)合反應(yīng)的一系列元反應(yīng)的步驟。研究認為：這個反應(yīng)按照下列兩個連續(xù)的過程進行的2NO + H2 N2 + H2O2 （慢） H2 + H2O2 2H2O（快） 其中該過程中的每一步反應(yīng)都是元反應(yīng)，可以根據(jù)質(zhì)量作用定律寫出每一步的速率方程。第25頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四25又如反應(yīng)：H2 + I2 2HI，其速率方程為： = k c(H2) . c(I2)，該反應(yīng)也不是元反應(yīng)。從速率方程上看似乎是元反應(yīng)，但它的反應(yīng)機理：a. I2 2I b. H2 + 2I 2HI第26頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四26結(jié)論：（）對于一個

11、具體的反應(yīng)，究竟是不是元反應(yīng)，應(yīng)以實驗結(jié)果為準(zhǔn)，切不可望文生義。（）一般情況下：增大反應(yīng)物質(zhì)的濃度，反應(yīng)速率增加。第27頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四272. 溫度的影響阿侖尼烏斯 S. A. Arrhenius (1859-1927)，瑞典物理化學(xué)家，根據(jù)大量實驗和理論驗證，提出反應(yīng)速率與溫度的定量關(guān)系式：若以對數(shù)關(guān)系表示：注意：并非所有的反應(yīng)都符合阿累尼烏斯公式。 （3.1） (3.2)第28頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四28式中: A 為指前因子，與速率常數(shù) k 有相同的量綱； Ea 叫做反應(yīng)的活化能(也稱阿侖尼烏斯活化能)，常用單位為

12、 kJ. mol-1； A 與 Ea 都是反應(yīng)的特性常數(shù)，基本與溫度無關(guān)，均由實驗求得。(b)(1/ T )K-1O 圖3-1 常見反應(yīng)的速率常數(shù)k與T的關(guān)系圖(a)OT/Kk第29頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四29 (1) 求Ea：至今仍是動力學(xué)中求Ea 的主要方法。 (2) 由Ea計算給定 T 反應(yīng)速率常數(shù)k 。計算常用公式如下：（3.3）阿侖尼烏斯公式的應(yīng)用第30頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四30（1） 溫度升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大，反應(yīng)速 率加快。 （2）速率常數(shù)不僅與溫度有關(guān)還與活化能有關(guān)。 結(jié)論： 第31頁，共81頁，2022年，5

13、月20日，7點43分，星期四31 以氣體分子運動論為基礎(chǔ)，主要用于氣相雙分子反應(yīng)。例如：反應(yīng)發(fā)生反應(yīng)的兩個基本前提： 發(fā)生碰撞的分子應(yīng)有足夠高的能量 碰撞的幾何方位要適當(dāng)（1）碰撞理論3. 活化能的影響第32頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四32（2）活化絡(luò)合物理論(過渡態(tài)理論) 具有足夠能量的分子彼此以適當(dāng)?shù)目臻g取向相互靠近到一定程度時，會引起分子或原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的連續(xù)性變化，使原來以化學(xué)鍵結(jié)合的原子間的距離變長，而沒有結(jié)合的原子間的距離變短，形成了過渡態(tài)的構(gòu)型，稱為活化絡(luò)合物。第33頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四33例如：活化絡(luò)合物(過渡態(tài))反

14、應(yīng)物(始態(tài))生成物(終態(tài))第34頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四34能量II圖3-2 反應(yīng)系統(tǒng)中活化能示意圖Ea (正) = E - EIEa (逆) = E - EII終態(tài)反應(yīng)過程EIEIIEa (正)Ea (逆)E rHm始態(tài)(過渡態(tài))IE 第35頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四35圖3-3 化學(xué)反應(yīng)過程中能量變化曲線Ea(逆)(正)(正)Ea(逆)EacEac第36頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四36（3）活化能與反應(yīng)速率 一般化學(xué)反應(yīng)的活化能在60440kJmol-1之間，活化能的大小對反應(yīng)速率影響非常大。 由阿侖

15、尼烏斯公式：由公式可知：活化能越小，反應(yīng)速率越大。第37頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四37 催化劑：又稱觸媒,是一種能顯著加快反應(yīng)速率,但在反應(yīng)前后自身的組成,質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生變化的物質(zhì)。4. 催化劑的影響第38頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四38催化作用的特點 ：只能對熱力學(xué)上可能發(fā)生的反應(yīng)起作用。通過改變反應(yīng)途徑以縮短達到平衡的時間。只有在特定的條件下催化劑才能表現(xiàn)活性。催化劑有選擇性，選擇不同的催化劑會有 利于不同種產(chǎn)物的生成。第39頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四39（1）均相催化： 催化劑與反應(yīng)物種在同一相

16、中的催化反應(yīng)。沒有催化劑存在時，過氧化氫的分解反應(yīng)為： 加入催化劑Br2，可以加快H2O2分解，分解反應(yīng)的機理是： 第一步總反應(yīng)：第二步第40頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四40催化劑對反應(yīng)活化能的影響第41頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四41 實驗結(jié)果表明，催化劑參與的分解反應(yīng)，改變了反應(yīng)機理，降低了反應(yīng)活化能，增大了活化分子分數(shù)，反應(yīng)速率顯著增大?；罨芙档褪够罨肿訑?shù)增加第42頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四42（2）多相催化： 催化劑與反應(yīng)物種不屬于同一物相的催化反應(yīng)。汽車尾氣(NO和CO)的催化轉(zhuǎn)化： 反應(yīng)在固相

17、催化劑表面的活性中心上進行，催化劑分散在陶瓷載體上，其表面積很大，活性中心足夠多，尾氣可與催化劑充分接觸。第43頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四43酶催化：以酶為催化劑的反應(yīng)。特點： 高效 高選擇性 條件溫和（3）酶催化第44頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四44 （1）濃度影響：當(dāng)溫度一定，某反應(yīng)的活化能也一定時， 濃度增大，分子總數(shù)增加，活化分子數(shù)隨之增多，即單位體積內(nèi)活化分數(shù)增多,反應(yīng)速率增大。反應(yīng)速率的影響因素結(jié)論：（2）溫度影響：當(dāng)濃度一定，溫度升高，即單位體積內(nèi)活化分數(shù)增多,反應(yīng)速率增大。第45頁，共81頁，2022年，5月20日，7點

18、43分，星期四45（3）加入催化劑：降低了活化能，使更多的分子成為活化分子，即單位體積內(nèi)活化分數(shù)增多，有效碰撞大大增加，反應(yīng)速率顯著加快。總之：無論那種因素對反應(yīng)速率的影響，最終看單位體積內(nèi)活化分子數(shù)是否發(fā)生變化。若單位體積內(nèi)活化分子數(shù)增加，則反應(yīng)數(shù)率加快；相反，則反應(yīng)速率減小。第46頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四463.3 化學(xué)平衡3.3.2 化學(xué)平衡的移動3.3.1 平衡常數(shù)表達式第47頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四47 對于恒溫恒壓下不做非體積功的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)rG 當(dāng)時，平衡不發(fā)生移動； J = 時，平衡向著正反應(yīng)方向進行。 J 第59

19、頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四59 例題(重點/考點)：某容器中充有N2O4(g) 和NO2(g)混合物，n(N2O4):n (NO2)=10:1。在308K， 0.1MPa條件下，發(fā)生反應(yīng)： (2)使該反應(yīng)系統(tǒng)體積減小到原來的1/2，反應(yīng)在308K，0.2MPa條件下進行，平衡向何方移動？ N2O4(g) NO2(g)； K (308)=0.315(3)在新的平衡條件下，系統(tǒng)內(nèi)各組分的分壓改變了多少？(1)計算平衡時各物質(zhì)的分壓； 第60頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四602. 溫度的影響 是溫度的函數(shù)。 溫度變化引起 的變化，導(dǎo)致化學(xué)平衡的

20、移動。(1)對于吸熱反應(yīng)，升高溫度,反應(yīng)向著正反應(yīng)方向移動，到達新平衡時，新的平衡常數(shù)增大。即(2)對于放熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)向著逆反 應(yīng)方向移動，到達新平衡時，新的平衡常數(shù) 減小。即 第61頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四61 將 1.2 mol SO2 和 2.0 mol O2 的混合氣體，在 800K 和101.325 kPa 的總壓力下，緩慢通過 V2O5 催化劑使生成SO3 ，在恒溫恒壓下達到平衡后，測得混合物中生成的 SO3 為1.1 mol。例題(重點/考點)：(3)討論溫度、總壓力的高低對SO2 轉(zhuǎn)化率的影響。(2)SO2 的轉(zhuǎn)化率。(1)試?yán)蒙鲜鰧?/p>

21、驗數(shù)據(jù)求該溫度下反應(yīng) 2SO2 + O2 = 2SO3 的 。 第62頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四62 此反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，又是放熱反應(yīng)。根據(jù)平衡移動原理，高壓低溫有利于提高 SO2 的轉(zhuǎn)化率。 (3)討論：注：在接觸法制硫酸的生產(chǎn)實踐中，為了充分利用SO2 ，采用比本題更為過量的氧氣，在常壓下 SO2 的轉(zhuǎn)化率可高達96 % - 98%，所以實際上無需采取高壓。第63頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四63呂查德里（A. L. Le Chatelier） 原理： 假如改變平衡系統(tǒng)的條件之一，如濃度、壓力或溫度，平衡就向能減弱這個改變的

22、方向移動。 化學(xué)平衡的移動或化學(xué)反應(yīng)的方向是考慮反應(yīng)的自發(fā)性，決定于rGm是否小于零；而化學(xué)平衡則是考慮反應(yīng)的限度，即平衡常數(shù)，它取決于 rGm (注意不是rGm)數(shù)值的大小。特別注意：第64頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四643.4 大氣污染與防治3.4.1 大氣污染及其危害3.4.2 大氣污染的防治第65頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四65 氮氧化物：NO、NO2等NOx是形成硝酸酸雨的主要氣體，其毒性比CO高10倍左右。 硫氧化物：SO2、SO3 (SOx)硫氧化物主要來自于燃煤，是形成硫酸酸雨的主要氣體。 顆粒物：大氣顆粒物包括塵（飄塵、

23、落塵）、煙、霧等。 烴類CxHy(或簡寫為 HC) 主要來源有煉油廠排放氣、油品的不完全燃燒。 CO和CO2人類排放量最大的污染物，主要來自于燃料的不完全燃燒。其毒害是使血液失去輸氧能力。3.4.1. 大氣的主要污染物及危害第66頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四66小高爐煉鋼土法煉鋅貴州威寧彝族回族苗族自治縣二塘鎮(zhèn)第67頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四671.環(huán)境污染物的來源 工業(yè)：三廢，量大、成分復(fù)雜、毒性強。 農(nóng)業(yè)：農(nóng)藥、化肥、農(nóng)業(yè)廢棄物等。 交通運輸：噪音、燃料燃燒的排放物等。 生活：生活中的“三廢” 等。第68頁，共81頁，2022年，5

24、月20日，7點43分，星期四68 主要污染物為顆粒物、SO2 等黃色煙霧。12月10日大霧散去，4000 人死亡，其中大部分是老人，感染支氣管炎和有關(guān)肺部疾病的患者達數(shù)千人.倫敦?zé)熿F2. 重要的大氣污染事件第69頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四69 主要污染物是O3、PAN、醛類、NOx 等藍色煙霧，死亡 400 人。 這類污染容易在夏秋季、氣溫較高的氣象條件下形成。洛杉磯煙霧 1952.12第70頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四70 (1) 固定源排放的廢氣比例較高、污染嚴(yán)重。 (2) 燃煤大國，屬煤煙型污染。 (3) 機動車污染日益嚴(yán)重。3.

25、 我國空氣污染的主要特征主要原因：煤為主要能源，廢氣一般雖經(jīng)除塵但未脫硫。民用煤比例過高。燃煤設(shè)備熱效率低。發(fā)展中國家。第71頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四71(1) 消除煙塵(2) 二氧化硫的控制石灰乳法：主要技術(shù)措施： *改進產(chǎn)生污染源的生產(chǎn)工藝和設(shè)備。 *更換燃料或使用清潔能源。 *凈化排出的廢氣。3.4.2. 大氣污染的防治2Ca(HSO3)2 + O2 + 2H2O 2CaSO42H2O + 2H2SO4 第72頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四72(3) 汽車廢氣治理六環(huán)牌 HX-OEM-3C-I 型三元催化劑 當(dāng)前 Pt、Pd、Ru

26、 催化劑 (CeO2 為助催化劑、耐高溫陶瓷為載體) 可使尾氣中有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化率超過 90%。第73頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四73全球性大氣污染(1) 酸雨 酸雨、全球氣候變暖與臭氧層的破壞是當(dāng)前困擾世界的三大全球性大氣污染問題。第74頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四74(1) SO2 + H2O = H2SO3 2H2SO3 + O2 = H2SO4SO3 + H2O = H2SO4(2) 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO酸雨對水體、森林和土壤都有重要影響。酸雨的形成：第75頁，共81頁，2022年，5月20日，7點43分，星期四75 溫室氣體主要