化学反应速率-(2)省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、化学反应速率化学反应速率Chemical ReactionRates第1页化学热力学化学热力学化学动力学化学动力学反应可能性反应可能性热化学热化学方向和程度方向和程度反应速率反应速率反应机理反应机理反应现实性反应现实性反应自发进行趋势大,不一定反应速率反应自发进行趋势大,不一定反应速率就快。就快。不能用不能用 rGrG大小来判断反应快慢。大小来判断反应快慢。第2页 有些化学反应速率很快有些化学反应速率很快炸炸药药爆爆炸炸、水水溶溶液液中中酸酸碱碱反反应应、感光反应等瞬间即可完成。感光反应等瞬间即可完成。第3页反反应应釜釜中中乙乙烯烯聚聚合合过过程程需需要要数数小小时时,室室温温下下塑塑料料或或
2、橡橡胶胶老老化化速速率率按按年年计计,而而地地壳壳内内煤煤或或石石油油形形成成要经过几十万年时间。要经过几十万年时间。有些化学反应速率较慢有些化学反应速率较慢第4页 不一样化学反应,反应速不一样化学反应,反应速率不一样,同一反应在不一样率不一样,同一反应在不一样条件下进行时反应速率也不相条件下进行时反应速率也不相同。怎样定量地表示一个化学同。怎样定量地表示一个化学反应快慢呢?反应快慢呢?怎样表示化学反应快慢怎样表示化学反应快慢第5页 反应速率基本定义反应速率基本定义化化学学反反应应速速率率可可用用反反应应进进度度随随时时间间改改变变率率来来表表示示。其其数数学学表表示示式式为:为:=/dt/d
3、t 式式中中 即即为为反反应应速速率率,其其SISI单单位位为为mol/smol/s。第6页对于普通化学反应:对于普通化学反应:aA+bB=gG+dD aA+bB=gG+dD 因因 d d=dn=dnB B/B B所以所以 =d=d/dt=/dt=B B-1-1dndnB B/dt/dt对有限量改变对有限量改变 =B B-1-1 n nB B/t t 反应速率基本定义反应速率基本定义第7页若若反反应应体体系系体体积积为为V V,且且不不随随时时间间而而改改变变,则可用下式表示化学反应速率:则可用下式表示化学反应速率:瞬时速率瞬时速率instantaneous rate:v=v=/V/V=B B
4、-1-1d dn nB B V V-1-1 /dt/dt =B B-1-1d dC CB B/dt/dt 对有限量改变对有限量改变 平均速率平均速率average rate:v v =B B-1-1 C CB B/t t vSI vSI单位为单位为molmol m m-3-3 s s-1-1 定容体系反应速率定容体系反应速率第8页 这这么么定定义义反反应应速速率率v v与与物物质质选选择择无无关关。对对同同一一个个化化学学反反应应,不不论论选选取取哪哪一一个个反反应应物物或或产产物物来来表表示示反反应速率,都得到相同数值应速率,都得到相同数值。反应速率基本定义特点反应速率基本定义特点第9页 举
5、举 例例 说说 明明比如,对于反比如,对于反 2N 2N2 2O O5 5(g)=4NO(g)=4NO2 2(g)+O(g)+O2 2(g)(g)有v=假设在反应刚开始时,c(N2O5)=8molm-3经2秒后,c(N2O5)=4molm-3,则分别用N2O5、NO2和O2表示反应速率为多少?第10页 举举 例例 说说 明明 N N2 2O O5 5NONO2 2O O2 2 B B2 24 41 1C(t=0)/molm-38 80 00 0C(t=2s)/molm-34 48 82 2C/molm-3-4-48 82 2第11页 举举 例例 说说 明明 v v(N N2 2O O5 5)=
6、1 mol=1 mol m m-3-3 s s-1-1 v v(NONO2 2)=1 mol=1 mol m m-3-3 s s-1-1 v v(O O2 2)=1 mol=1 mol m m-3-3 s-1第12页影响反应速率原因除反应物本质、影响反应速率原因除反应物本质、浓度浓度、温度温度外,还有外,还有催化剂催化剂、反应、反应物聚集状态、反应介质和光照等。物聚集状态、反应介质和光照等。影响化学反应速率原因影响化学反应速率原因第13页 浓度对反应速浓度对反应速率影响与反应历程率影响与反应历程相关。相关。基元反应基元反应 复合反应复合反应 浓度对反应速率影响浓度对反应速率影响第14页 反反应
7、应物物分分子子直直接接碰碰撞撞而而发发生生化化学学反反应应称称为为基基元元反反应应,它它是是一一步步完完成成反应,故又称反应,故又称简单反应简单反应。如。如O O2 2+H(g)+H(g)HO(g)+O(g)HO(g)+O(g)基基 元元 反反 应应 elementary reaction第15页 由由两两个个或或两两个个以以上上基基元元反反应应组组成成化化学学反反应应,称为称为复合反应复合反应。如反应。如反应2NO+O2NO+O2 2 2NO 2NO2 2有些人认为它是由以下两个基元反应组成,所有些人认为它是由以下两个基元反应组成,所以是复合反应以是复合反应2NO+O2NO+O2 2 N N
8、2 2O O2 2 (快)(快)N N2 2O O2 2+O+O2 2 2NO 2NO2 2 (慢)(慢)复复 合合 反反 应应overallreactions第16页当温度不变时,若反应当温度不变时,若反应aA+bB=cCaA+bB=cC是基元反应是基元反应,则有则有 v=kcv=kcA Aa ac cB Bb b 此式称为化学反应速率方程式,又称此式称为化学反应速率方程式,又称质量质量作用定律表示式作用定律表示式。质量作用定律质量作用定律law of mass action 第17页 k叫做叫做速率常数速率常数。取决于反应物本。取决于反应物本性,反应温度和催化剂等,但与浓度无性,反应温度和
9、催化剂等,但与浓度无关。关。不一样反应在同一温度下,不一样反应在同一温度下,k值不值不一样;同一反应在不一样温度或有没有一样;同一反应在不一样温度或有没有催化剂不一样条件下,催化剂不一样条件下,k值亦不一样。值亦不一样。同一反应仅改变反应物浓度,其同一反应仅改变反应物浓度,其k值不值不变。变。速率常数速率常数rate constant第18页当当A A和和B B浓度均为浓度均为1 mol1 mol m m-3-3 s s-1-1时,有时,有v/v=k/kv/v=k/k式中式中vv、kk分别表示物理量分别表示物理量v v、k k所选所选定各自单位定各自单位。所以。所以k k是各反应物浓度均为是各
10、反应物浓度均为1 1 molmol m m-3-3 s s-1-1时反应速率,故又称为时反应速率,故又称为反应比反应比速速。在同一温度下,可用。在同一温度下,可用k k大小来比较不大小来比较不一样反应反应速率大小。一样反应反应速率大小。反反 应应 比比 速速第19页 非基元反应速率方程式中,浓度方非基元反应速率方程式中,浓度方次和反应物系数不一定相符,不能由化次和反应物系数不一定相符,不能由化学反应方程式直接写出,而要由试验确学反应方程式直接写出,而要由试验确定。定。复杂反应速率方程复杂反应速率方程第20页任一化学反应任一化学反应aA+bB gG+dD+其反应速率方程式可写为下式其反应速率方程
11、式可写为下式 v=kcv=kcA A c cB B 若是基元反应,则若是基元反应,则 a a =b=b若是复合反应,则不一定若是复合反应,则不一定 a a =b=b 速速 率率 方方 程程第21页 v=kcv=kcA A c cB B 称为称为A分级数,分级数,称为称为B分级数,分别表分级数,分别表示示A、B浓度对反应速率影响程度。浓度对反应速率影响程度。总反应级数:总反应级数:n=+对于复合反应对于复合反应、和和n数值完全是由数值完全是由试验测定,它们值能够是零、正整数、分试验测定,它们值能够是零、正整数、分数或负数。数或负数。反反 应应 级级 数数第22页 n=n=+=0 =0 零级反应零
12、级反应ZerothOrderReaction n=n=+=1 =1 一级反应一级反应 FirstZerothOrderReaction n=n=+=2 =2 二级反应二级反应 SecondOrderReaction 反反 应应 级级 数数第23页 比如,在比如,在V V2 2O O5 5晶体表面上晶体表面上COCO燃烧反应燃烧反应2CO2CO(g g)+O+O2 2(g g)2CO2CO2 2(g g)试验测得试验测得v=kcv=kc(COCO)是一级反应,而不三级反应。是一级反应,而不三级反应。反应级数反应级数order of reactionorder of reaction 第24页 一
13、一级级反反应应较较为为常常见见,其其反反应应速速率率与与反反应应物浓度关系为:物浓度关系为:v=k1c 上式经积分后得到一级反应公式为上式经积分后得到一级反应公式为 lnc/c=-kt+lnclnc/c=-kt+lnc0 0/c/c式中:式中:c c0 0 反应物初浓度反应物初浓度 c 反应物反应物t时刻浓度时刻浓度 一一 级级 反反 应应First-Order Reactions第25页1.由由 lnc/c=lnc/c=-kt+-kt+lnclnc0 0/c/c可可 知知lnc/clnc/c与与时时间间t t呈呈直直线线关关系系。直直线线斜斜率率 为为-k-k。一级反应特点一级反应特点第26
14、页2.半半衰衰期期(half half lifelife)t t1/21/2(反反应应物物消消耗耗二二分分之之一一所所需需时时间间)与与反反应应物物浓浓度度无无关,而与速率常数成反比。关,而与速率常数成反比。lnc/c=-kt+ln clnc/c=-kt+ln c0 0/c/c ln c c0 0/c=kt ln c c0 0/1/2 c c0 0=kt1/2ln 2=kt1/2t1/2=(ln 2)/k=0.693/k 一级反应特点一级反应特点第27页放放射射性性元元素素衰衰变变掉掉二二分分之之一一数数量量(或或放放射射性性活活度度降降低低到到二二分分之之一一)所所需需要要时时间间称称为为放
15、放射射性性元元素素半半衰衰期期。它是放射性元素一个特征常数。它是放射性元素一个特征常数。放射性元素半衰期放射性元素半衰期第28页比如 半衰期为81,半衰期为22分钟,半衰期为5730年。一些放射性同位素衰变可用作估算考古学发觉物、古代化石、矿物、陨石以及地球年纪基础。如 和 通惯用于陨石和矿物年纪估算,用于确定考古学发觉物和化石年纪。放射性元素半衰期放射性元素半衰期第29页 例例:过过氧氧化化氢氢是是一一个个主主要要氧氧化化剂剂,在在医医药药上上(3%H3%H2 2O O2 2)用用作作消消毒毒杀杀菌菌剂剂,在在工工业业上上用用于于漂漂白白毛毛、丝丝、羽羽毛毛等等。纯纯H H2 2O O2 2
16、是是一一个个火火箭箭燃燃料料高高能能氧氧化化剂剂,但但它它很很不不稳稳定定,极极易易分分解解。H H2 2O O2 2分分解解反反应应是是一一级级反反应应,反反应应速速率率常常数数为为0.0410min0.0410min-1-1。2H2H2 2O O2 2(l l)H H2 2O O(l l)+O+O2 2(g g)1)若从)若从0.500mol0.500mol dmdm-3-3 H H2 2O O2 2溶液开始,溶液开始,1010分钟后,浓度是多少?分钟后,浓度是多少?(2)H H2 2O O2 2在溶液中分解二分之一需要在溶液中分解二分之一需要多长时间?多长时间?第30页解:(解:(1 1
17、)将相关数据代入下式)将相关数据代入下式 lnc/c=-kt+ln clnc/c=-kt+ln c0 0/c/c 得:得:lnc=0.041minlnc=0.041min-1-1 10min10min ln0.500molln0.500mol dmdm-3-3/mol/mol dmdm-3-3 =0.410 =0.410 解得解得c=0.332 molc=0.332 mol dmdm-3-3 (2 2)t t1/21/2=0.693/k=0.693/k =0.693/0.0410 min =0.693/0.0410 min-1-1=16.9min=16.9min第31页 升高温度,往往能加紧反
18、应进行。升高温度,往往能加紧反应进行。人们归纳了许多试验结果后发觉,反应人们归纳了许多试验结果后发觉,反应物浓度恒定时,对大多数反应而言,其物浓度恒定时,对大多数反应而言,其温度每升高温度每升高10K10K,反应速率大约增加,反应速率大约增加2 24 4倍倍。温度对反应速率影响温度对反应速率影响 Temperature Dependence of Reaction Rates第32页 18891889年年S ArrheniusS Arrhenius总结了大量试验总结了大量试验事实,指出反应速率与温度定量关系为事实,指出反应速率与温度定量关系为k=Aek=Ae-Ea/RT-Ea/RTA=指前因子
19、指前因子pre-exponentialfactor(pZ)Ea=活化能活化能activationenergy(J J molmol-1-1)R=气体常数气体常数gasconstant(8.314J/mol-K)T=温度温度temperature(K)阿仑尼乌斯公式阿仑尼乌斯公式ArrheniusEquation第33页对上式取自然对数得对上式取自然对数得lnln(k/kk/k)=Ea/RT +ln+ln(A/AA/A)换成惯用对数换成惯用对数 lglg(k/kk/k)=Ea/2.303RT+lg+lg(A/AA/A)阿仑尼乌斯公式阿仑尼乌斯公式ArrheniusEquation第34页lnln
20、(k/kk/k)=Ea/RT +ln+ln(A/AA/A)由上式能够看出:由上式能够看出:1.1.在相同温度下,活化能在相同温度下,活化能EaEa越小,其越小,其k k值值就越大,反应速率也就越快;反之亦然。就越大,反应速率也就越快;反之亦然。2.2.对同一反应来说,温度越高,对同一反应来说,温度越高,k k值就越值就越大,反应速率也越快大,反应速率也越快 ;反之,温度越低,;反之,温度越低,k k值就越小,反应速率也越慢。值就越小,反应速率也越慢。阿仑尼乌斯公式阿仑尼乌斯公式ArrheniusEquation第35页 设设k k1 1和和 k k2 2分别表示某一反应在分别表示某一反应在T
21、T1 1和和T T2 2时速率常数,有:时速率常数,有:lglg(k k1 1/k/k)=Ea/2.303R=Ea/2.303RT T1 1 +lg+lg(A/AA/A)lg lg(k k2 2/k/k)=Ea/2.303R=Ea/2.303RT T2 2 +lg+lg(A/AA/A)阿仑尼乌斯公式应用阿仑尼乌斯公式应用第36页 阿仑尼乌斯公式应用阿仑尼乌斯公式应用 将上述两式相减,则得将上述两式相减,则得 lg =-lg =-用上式从两个温度速率常数或比值用上式从两个温度速率常数或比值k k2 2/k/k1 1 能够计算活化能能够计算活化能EaEa;反之,若已知活化;反之,若已知活化能能Ea
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