第七章化學反應速率

第七章化學反應速率第1頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容提要化學反應速率的表示方法反應機理和元反應簡單反應與復合反應元反應與反應分子數(shù)質(zhì)量作用定律與速率方程式具有簡單級數(shù)的反應及其特點一級反應二級反應零級反應第2頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)容提要化學反應速率理論簡介碰撞理論與活化能過渡態(tài)理論簡介溫度對化學反應速率的影響Arrhenius方程式溫度對化學反應速率影響的原因催化劑對化學反應速率的影響催化劑及催化作用催化作用理論生物催化劑-酶第3頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月教學基本要求掌握反應速率、元反應、速率控制步驟、有效碰撞、活化分子、活化能、反應分子數(shù)、反應級數(shù)、催化劑的概念。熟悉化學反應速率方程式及質(zhì)量作用定律的含義。掌握一級反應的特征及計算。熟悉溫度對化學反應速率的影響，了解催化作用。第4頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)化學反應速率的表示方法一、化學反應速率(rateofachemicalreaction)定義：單位體積內(nèi)反應進度隨時間的變化率。單位：mol

L-1

時間-1速率皆為正值，化學計量數(shù)νB對反應物取負值、對產(chǎn)物取正值。例：N2+3H22NH3第5頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)化學反應速率的表示方法二、平均速率三、瞬時速率用不同的物質(zhì)，反應速率不同，反應進度相同。第6頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)反應機理和元反應一、簡單反應與復合反應簡單反應：由一步完成的反應CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)復合反應：經(jīng)過多步完成的反應例：H2(g)+I2(g)=2HI(g)由兩步組成I2(g)=2I(g)H2(g)+2I(g)=2HI(g)第7頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)反應機理和元反應一、簡單反應與復合反應反應機理：化學反應進行的實際步驟，即實現(xiàn)化學反應的各步驟的微觀過程。例：總反應H2(g)+I2(g)=2HI(g)I2(g)=2I(g)快反應

H2(g)+2I(g)=2HI(g)慢反應慢反應限制了整個復合反應的速率，故稱速率控制步驟。第8頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)反應機理和元反應二、元反應和反應分子數(shù)元反應(elementaryreaction)：一步就能完成的化學反應。反應分子數(shù)(molecularityofreaction)：元反應中反應物微粒數(shù)之和。單分子反應

I2(g)

=2I(g)雙分子反應

CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)三分子反應H2(g)+2I(g)=2HI(g)

由于四分子同時相遇的機會極小，更高分子數(shù)的反應沒有出現(xiàn)

第9頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)反應機理和元反應三、質(zhì)量作用定律與速率方程式質(zhì)量作用定律(lawofmassaction)溫度一定時，元反應的反應速率與各反應物濃度以計量系數(shù)為指數(shù)的冪的乘積成正比：aA+bB→dD+eEv=kca(A)cb(B)例如v=kc(NO2)c(CO)

第10頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)反應機理和元反應三、質(zhì)量作用定律與速率方程式反應速率方程式：表示反應物濃度與反應速率之間定量關(guān)系的數(shù)學式稱為反應速率方程式。對元反應，根據(jù)質(zhì)量作用定律可直接寫出速率方程式：如上例v=kc(NO2)c(CO)

一般地aA+bB→dD+eEv=kca(A)cb(B)反應分子數(shù)=a+b第11頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)反應機理和元反應對復合反應，速率方程式需由實驗測出。如反應實驗證明v僅與c(N2O5)而不是與c2(N2O5)成正比

v=kc(N2O5)研究表明上述反應分3步進行。一般地aA+bB→dD+eEv=kcm(A)cn(B)第12頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)反應機理和元反應反應級數(shù)(reactionorder)反應：aA+bB→dD+eEv=kcm(A)cn(B)m—A的反應級數(shù)n—B的反應級數(shù)總的反應級數(shù)

=m+n注意，簡單反應：反應分子數(shù)=反應級數(shù)；m≠a或（和）n≠b，復合反應；

m＝a且n＝b，不一定是元反應。第13頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)反應機理和元反應反應級數(shù)與反應分子數(shù)的比較反應級數(shù)反應分子數(shù)使用范圍任何反應元反應取值整數(shù)、分數(shù)或負數(shù)1，2，3與反應物系數(shù)和的關(guān)系不一定相等相等第14頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)反應機理和元反應反應速率常數(shù)(rateconstant)反應：aA+bB→dD+eEv=kcm(A)cn(B)k稱為速率常數(shù)。與反應物濃度無關(guān)，與反應物本質(zhì)及溫度有關(guān)。

k的物理意義：k在數(shù)值上等于各反應物濃度均為1mol·L-1時的反應速率，故又稱為比速率。相同條件下，k愈大，表示反應的速率愈大。k的量綱則根據(jù)速率方程式中濃度項上冪次的不同而不同。第15頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)具有簡單級數(shù)的反應及其特點一、一級反應(reactionofthefirstorder)公式推導：當時間由0→t,則濃度c0→ck

的單位：(時間)-1以lnc~t作圖得一直線，斜率為-k

-(lnc–lnc0)=k

t第16頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)具有簡單級數(shù)的反應及其特點半衰期（half-life，t1/2）定義：反應物反應掉一半所需要的時間。特點：t1/2

與起始濃度c0無關(guān)。第17頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)具有簡單級數(shù)的反應及其特點例：反應2N2O5(g)→4NO2(g)+O2(g)服從速率方程式v=k

c(N2O5)。設(shè)某溫度時

k=l.68×10-2s-1，如在一個5.00L的容器中放入2.50molN2O5，在該溫度下反應進行1.00min，問N2O5的剩余量及O2的生成量各為多少?第18頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)具有簡單級數(shù)的反應及其特點例：某藥物的初始含量為5.0g·L-1，在室溫下放置20個月之后，含量降為4.2g·L-1，藥物分解30％即謂失效。若此藥物分解時為一級反應，問：(1)藥物的有效期為幾個月?(2)半衰期是多少?第19頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)具有簡單級數(shù)的反應及其特點二、二級反應(secondorderreaction)積分可得

以1/c對t作圖得一直線，斜率為k，k的量綱為[濃度]-1?[時間]-1。半衰期t1/2=1/kcA0

第20頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)具有簡單級數(shù)的反應及其特點三、零級反應(zeroorderreaction)積分得cA0-c=k

t

以c~t作圖得一直線，斜率為-k，k的量綱為[濃度]?[時間]-1。半衰期t1/2=cA0/2k

第21頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)具有簡單級數(shù)的反應及其特點反應級數(shù)一級反應二級反應零級反應基本方程式ln(c０/c)=ktc０-c=kt直線關(guān)系lnc對t1/c對tc對t斜率－kk－k半衰期(t1/2)0.693/k1/kc０c０/2kk的量綱[濃度]1-n

[時間]-1[時間]-1[濃度]-1

[時間]-1[濃度]

[時間]-1第22頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)化學反應速率理論簡介一、碰撞理論與活化能有效碰撞與彈性碰撞有效碰撞(effectivecollision)：能發(fā)生反應的碰撞。彈性碰撞(elasticcollision)：不發(fā)生反應的碰撞。第23頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)化學反應速率理論簡介有效碰撞理論要點：只有有效碰撞才能使反應物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。發(fā)生有效碰撞兩個條件：（1）需有足夠的能量；（2）碰撞時要有合適的方向;例第24頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)化學反應速率理論簡介(a)彈性碰撞(b)有效碰撞第25頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)化學反應速率理論簡介活化分子與活化能：活化分子：具有較大的動能并能夠發(fā)生有效碰撞的分子?；罨?activationenergy)Ea活化分子具有的最低能量與反應物分子的平均能量之差。單位：kJ

mol-1第26頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)化學反應速率理論簡介Ea特點：Ea為正值。不同的反應，Ea不同；同一反應的不同途徑Ea不同。Ea與反應物本性及途徑有關(guān)，與c、T無關(guān)。其它條件一定時，Ea↓,v↑

（Ea是反應進行的能量障礙—能壘）第27頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)化學反應速率理論簡介影響化學反應速率的因素：v=

z

fpz為單位體積內(nèi)的碰撞頻率，

z∝c

f為活化分子分數(shù)（能量因子）p為碰撞時的方位因子第28頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)化學反應速率理論簡介影響化學反應速率的因素：元反應：A+B→products

v=

z

fp=z’[A][B]e-Ea/RTp=Ae-Ea/RT[A][B]=k[A][B]

k=Ae-Ea/RT

(著名的Arrhenius方程式)第29頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)化學反應速率理論簡介二過渡態(tài)理論（活化絡(luò)合物理論）要點：具有足夠能量的反應物分子相互碰撞，形成一個高能量的過渡狀態(tài)—活化絡(luò)合物，此絡(luò)合物極不穩(wěn)定，既可恢復成反應物，又可轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物.第30頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)化學反應速率理論簡介活化能與反應熱Ea：活化絡(luò)和物具有的能量與反應物分子平均能量之差。無論吸熱還是放熱，反應物分子必須越過能壘(即一般分子變成活化分子，或者形成活化絡(luò)合物的能量)反應才能進行。

第31頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)化學反應速率理論簡介活化能與反應熱反應熱與Ea的關(guān)系：

rHm=Ea-Ea’

rHm<0(放熱反應)

rHm>0(吸熱反應)過渡狀態(tài)理論將動力學與熱力學聯(lián)系起來。

第32頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)溫度對化學反應速率的影響一、Arrhenius方程式或k—反應速率常數(shù)；A—指數(shù)前因子，與反應物碰撞頻率、碰撞時分子取向的可能性(分子復雜程度)有關(guān)；Ea—反應的活化能。第33頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)溫度對化學反應速率的影響從Arrhenius方程式可得出下列三條推論：對某一反應，活化能Ea是常數(shù)，e-Ea/RT隨T升高而增大，表明溫度升高，k變大，反應加快；當溫度一定時，如反應的A值相近，Ea愈大則k愈小，即活化能愈大，反應愈慢；對不同的反應，溫度對反應速率影響的程度不同。

第34頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)溫度對化學反應速率的影響二、溫度對反應速率的影響設(shè)k1為反應在T1時的速率常數(shù)，為k2T2時的速率常數(shù)，T2>T1，由有因Ea>0必定ln(k2/k1)>0，k2>k1，即升高溫度總是加快化學反應速率。第35頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)溫度對化學反應速率的影響三、溫度影響反應速率的原因分子的平均動能增加；活化分子的分數(shù)增加。反應速率加快主要原因是活化分子的分數(shù)增加。設(shè)Ea=100kJ?mol-1，溫度由298K升至308K，f和反應速率都增加3.7倍，而平均動能僅增加3%。第36頁，課件共41頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)溫度對化學反應速率的影響例：一反應的動力學數(shù)據(jù)如下：

2A+B→C

t

c(A)c(B)v1)250C1.01.00.12)250C2.01.00.43)250C1.04.01.64)350C1.01.0