第5章 化学动力学初步 5.1 化学反应速率 5.2 浓度对反应速率的影响 5.3 反应级数 5.4 反应机理

Slides:



Advertisements
Similar presentations
细胞生活的环境 内环境稳态的重要性.
Advertisements

3.2 农业区位因素与农业地域类型.
電解.
第五章 氧化還原反應. 第五章 氧化還原反應 目次 導讀 5-1 氧化數 5-2 氧化還原滴定 趣味實驗 藍瓶實驗 5-3 電池 科學家小傳—勒克朗社 科學報導 病毒製造的電池 5-4 電解與電鍍 學習概念圖.
第十章 化学键与分子结构 §1 离子键理论 1916 年德国科学家 Kossel ( 科塞尔 ) 提出离子键理论。 一 离子键的形成
第5章 化学热力学基础 chapter 5 Chemical Thermodynamics.
Energy Relationships in Chemical Reactions
第 2 章 化学反应的基本原理与大气污染.
第四章 酸碱电离平衡 一、酸碱质子理论 1 酸碱的定义 2 酸碱电离平衡(质子理论) 3 酸碱的强弱 二、水的自偶电离平衡
酸 碱 盐 复 习 课 阜宁县张庄中学王宏雨.
第一章 緒論 1-1 化學簡介 1-2 物質的變化與能量 1-3 化學簡史 1-4 化學與生活.
专题九 化学反应速率 化学平衡.
小游戏:填数 __.
第三章 化学反应速率和限度 Rate of Chemical Reaction & Chemical Equilibrium
第7章 化学动力学基础 7-1 化学反应速率 7-2 浓度对化学反应速率的影响 7-3 温度对化学反应速率的影响及阿仑尼乌斯公式
第8章 水溶液 溶液 非电解质稀溶液的依数性 电解质溶液的依数性-导电性.
課程名稱:常見元素與元素符號 編授教師: 中興國中 楊秉鈞.
第 15 章 氮族元素.
为了增加乳制品中氮元素的含量,加入有害物质三聚氰胺。
第3章 化学反应的方向、速率和限度 学习要求 1.了解化学平衡的概念,理解平衡常数的意义,掌握有关化学平衡的计算。
第二节 化学平衡 第一课时.
人教版必修2 第四章 化学与自然资源的开发利用 黑龙江省庆安一中 孙秀民.
习题课三 电化学&化学动力学
第7章 化学动力学基础 主讲:燕翔(讲师) 单位:科学教育系.
第二章 化学反应速率与化学平衡 化学反应速率 影响化学反应速率的因素 化学平衡移动 影响平衡移动的因素.
高中化学竞赛 【第七讲 速率与平衡】 河南省太康县第一高级中学----乔纯杰.
第二篇化学热力学与化学动力学基础 第5章 化学热力学基础
第二节 构成物质的基本微粒 第4课时:离子.
第二章 分析试样的采取和预处理 上饶师范学院化学化工学院.
第4章 电化学与金属腐蚀.
主 讲:燕翔(副教授) 单 位:陇南师专生化系
第四章 电解和库仑分析法 Electrolysis and Coulometry
第十章 氧化还原反应 §10.1 氧化还原反应的基本概念 §10.2 氧化还原反应方程式的配平 §10.3 电极电势 §10.4 电势图解及其应用.
化 學 鍵 編輯製作:化學科教師 張鑽銘 原子間相互作用,使它們穩定 聚在一起的力稱為「化學鍵」, 如:離子鍵、共價鍵、金屬鍵。
第一章 物質的組成 利用高解析電子顯微鏡分析奈米金線之外觀: 為於高解析電子顯微鏡下所看見之金奈米線
前言 有些人在運動後會喝運動飲料,以補充體內的電解質。電解質是什麼?
第三章 反应速率和化学平衡 化学热力学,讨论化学反应的 可能性和化学反应进行的程度。 但实际上反应能否发生,平衡
Reaction Heat, Directions and Limit of Chemical Reactions
2012届高三化学第一轮复习 化学反应的热效应 河南省太康县第一高级中学----乔纯杰.
第十一章 化学动力学基础(二) 本章讨论反应速率理论及一些特殊反应的动力学;
課程名稱:原子量與莫耳 編授教師: 中興國中 楊秉鈞.
例: K ,各气体分压 KPa 下 N2(g) + 3 H2(g) = 2 NH3(g) 1. 指定条件下,正反应可否自发进行;
基于有机物的鉴别 再现基团的特性 浙江大学附属中学 郑倩茹.
The General Principle of
第 3 章 化学热力学基础.
绪论 化学是一门既古老又年轻的科学。 化学是研究和创造物质的科学,同工农业生产和国防现代化,同人民生活和人类社会等都有非常密切的关系。
第三章 电化学原理与应用.
第二章 热化学 §2.1 热力学术语和基本概念 §2.2 热力学第一定律 §2.3 化学反应的热效应 §2.4 Hess定律
Chapter 11 Chemical Kinetics
細數原子與分子 編輯/楊秉鈞老師 錄音/陳記住老師 ◆ 原子量與分子量 ◆ 計數單位─莫耳 ◆ 公式整理 ◆ 範例─莫耳 ◆ 體積莫耳濃度
第八章進入原子的世界 第 6 章 進入原子的世界.
物理化学电子教案—第十一章 积分法 微分法 半衰期法 孤立法 平行反应 对峙反应 连续反应 链反应 一级反应 2019/2/25.
框图题集锦.
复习回顾 符号H、2H、H2、2H2各具有什么意义? ① H表示氢元素或一个氢原子。 ② 2H表示2个氢原子。
原子與分子: 物質是由分子構成,具有物質特性的粒子,稱為分子。 分子由原子構成,自然界有許多物質是由兩個或兩個以上的原子所組成。 原子:
化学反应中的能量变化.
人教版新课程选修4化学反应原理 第一章 化学反应与能量 第一节 化学反应与能量的变化 安徽省合肥一中 张春.
化学平衡状态的特征及其应用.
平面与平面平行的性质 主讲 陈芝飞.
第三单元 物质构成的奥秘 颐中 褚林柏 课题2 原子的结构.
原子與分子: 物質是由分子構成,具有物質特性的粒子,稱為分子。 分子由原子構成,自然界有許多物質是由兩個或兩個以上的原子所組成。 原子:
化学平衡知识点归纳 与经典习题赏析 河北省宣化县一中 栾春武.
第四单元 物质构成的奥秘 课题4 化学式与化合价.
2-3 影響反應速率的因素.
第二单元 化学反应的方向和限度 第一节 化学反应的方向.
甲虫的御敌武器与过氧化氢的催化分解
3-3 影響平衡的因素.
第3章 化学平衡 Chemical Equilibrium 主讲教师:公瑞煜.
第二节 糖类.
第一单元 化学反应中的热效应 反应热的测量与计算 厦大附中 黄耿阳.
Presentation transcript:

第5章 化学动力学初步 5.1 化学反应速率 5.2 浓度对反应速率的影响 5.3 反应级数 5.4 反应机理 5.1 化学反应速率 5.2 浓度对反应速率的影响 5.3 反应级数 5.4 反应机理 5.5 温度对化学反应速率的影响 5.6 基元反应的速率理论 5.7 催化剂与催化作用

5.1 化学反应速率 (Chemical Reaction Rates) 宏观:热力学、动力学 热力学:过程的能量交换(H )、过程的自发方向(G )、过程的限度(K ) (△Gø = - RTln K) — 可能性。 动力学:反应速率(快慢)、反应机理(怎样进行) — 现实性。

例: N2 (g) + 3 H2 (g) = 2 NH3 (g) △Hø = - 92.22 kJ.mol-1 (放热) △Gø = - 33.0 kJ.mol-1 △Gø = - RT ln K K = 6.1105 但实际上,R.T. ,常压,观察不到反应。

热力学不涉入时间,当然不涉及反应速率, 也不涉及反应机理。 反应速率和反应机理是化学动力学研究的核心问题。 反应速率因不同的反应而异: 火药爆炸—瞬间; 中和反应—几秒; 高温固相合成无机材料、有机合成、高分子合成—小时; 橡胶老化—年; 石油、煤的形成—几百万年…

一、反应速率定义 — 单位时间内反应物或产物浓度改变的量的绝对值。 (一)平均速率和瞬间速率: 例:H2O2(aq) = H2O(l) + ½ O2(g) 测定实验中O2(g)的析出量,可计算H2O2浓度变化,并按下式计算出反应速率(平均速率) : = - (H2O2) / t = -[ c2(H2O2) – c1(H2O2) ] / t 计算结果列于教材p.107, 表6.1. 可见:t , c (H2O2) ,  .

I- H2O2(aq) → H2O(l) + ½ O2(g) 教材p.107, 表6.1.

H2O2(aq) = H2O(l) + ½ O2(g) 或: N2O5(g) = 2 NO2 (g) + ½ O2(g)

作出H2O2的 c — t 曲线(教材p.108,图6.1),得到 0 — 40 min的 平均速率: 令 (无限小),得瞬时速率: 显然, 和v 的单位是 作出H2O2的 c — t 曲线(教材p.108,图6.1),得到 0 — 40 min的 平均速率: 某一时刻的瞬时速率可用该时间对应的曲线点上的斜率表示, 并且可以得到:

(二) t , c(H2O2) , v  (三)实验测定速率(净反应速率) = |正反应速率 - 逆反应速率| (四)对于单向反应,反应的开始的瞬间的瞬时速率称为 初速率v0 . (五)测定反应速率的实验方法将在物理化学课程中学 习。

(六)由于一个反应可以用不 同的反应物或产物作参照物浓度变化 来表示反应速率,为了避免混乱,IUPAC建议对于反应: 定义瞬时速率为: (5.1) 平均速率为: (5.2) (5.1)、(5.2)式中,vi 为计量系数a、b、d、c,且对反应物取负值, 对产物取正值, 以保证v和 为正值。

对于一个反应,在某一瞬间其v有确定值(不论以哪一种反应 _ 物或产物的浓度变化表示);在某一时间间隔内, v 也是定值。 例: H2O2 = H2O + ½ O2 分解反应(教材p.107表6-1) 0 – 20 min 的 _ V (H2O2 ) =  c (H2O2) / [(-1)  t ] = (0.40 – 0.80) / [(-1) (20 – 0)] = 0.020 mol.dm-3.min-1 V (O2) =  c (H2O2) / [(½)  t ] = (0.20 – 0) / [(½) (20 – 0)] = 0.020 mol.dm-3.min-1 = V (H2O2 )

N2O5(g) = 2 NO2 (g) + ½ O2(g) 浓度随时间变化曲线

N2O5(g) = 2 NO2 (g) + ½ O2(g) NO2 浓度 - 时间关系

二、影响反应速率的因素 (一)不同反应的反应速率不同(取决于反应物本身的性质) (二)同一反应 1.浓度; 2.气体反应:压力; 3.温度; 4.使用催化剂。

5.2 浓度对反应速率的影响 一、速率方程(式)(动力学方程式) 例:CO(g) + NO2(g) → CO2(g) + NO(g) 5.2 浓度对反应速率的影响 一、速率方程(式)(动力学方程式) 例:CO(g) + NO2(g) → CO2(g) + NO(g) 该反应是基元反应(一步进行的反应)。 瞬时速率定义式: v = - dc (NO2) / dt = - dc (CO) / dt

CO(g) + NO2(g) → CO2(g) + NO(g) 甲 组 乙 丙 (CO) / mol.dm-3 (NO2)/ v0 / mol. dm-3.s-1 0.10 0.005 0.20 0.010 0.30 0.015 0.020 0.030 0.045 0.40 0.040 0.060

合并写为: v = k cCO cNO2 或 : v = k (CO )(NO2) 由浓度与初速率v0数据可见: 1. 从纵向看,甲、乙、丙各组内数据, 不变,  1倍, 1倍: v ∝ cCO . 2.从各横行看,各行内 不变, 1倍, 1倍 , v ∝ cNO2 . 合并写为: v = k cCO cNO2 或 : v = k (CO )(NO2)

速率方程式(动力学方程式) v = k (CO) (NO2) 上式称为该反应的速率方程式, 1 mol.dm-3时的反应速率;其量纲由速率方程确定;k 大小取决于反应物的本质,而与浓度无关,当其它条件相同时, k  ,则v  ;通常,T  ,则k  。 速率方程式表示反应速率与浓度的关系。

二、基元反应与非基元反应 基元反应—即一步完成的反应。 非基元反应—分若干个步骤进行的反应,又称“复杂反应”或“复合反应”。

(一)基元反应 反应速率方程可由方程式直接写出: 例如:基元反应 CO(g) + NO2(g) = CO2(g) + NO(g) V正= k正(CO) (NO2) V逆= k逆(CO2) (NO) 2. 平衡常数K与速率常数k正、k逆的关系: V正 = V逆 → 平衡; (B) → [B] k正(CO) (NO2) = k逆(CO2) (NO) [CO2] [NO] / [CO) ] [NO2] = k正 / k逆 = K

= 0.005 mol.dm-3.s-1 / [0.10  0.10 (mol.dm-3)2] 3. 根据速率方程式,由任一组实验数据可以求出速率常数的值 例上述反应,取甲组第一横行数据: k = v / [(CO)(NO2)] = 0.005 mol.dm-3.s-1 / [0.10  0.10 (mol.dm-3)2] = 0.5 mol-1.dm3.s-1 (二级反应量纲) 有了k值,代入速率方程式v = k (CO) (NO2) ,可计算 出任一时刻CO、NO2浓度对应的瞬时速率。 (二)速率方程式必须以实验为依据确定;反应是否 基元反应,也必须以实验为依据确定。

三、质量作用定律 在基元反应中,反应速率与反应物物质的量浓度的计量系数次方 的乘积成正比。 对于基元反应: 则: 对于“非基元反应”: 则: 且可能有 而m、n值只能由实验确定。 即:质量作用定律不能直接应用于非基元反应,但能 应用于构成该非基元反应的每一个具体步骤(基元反应)。

例如: S2O82- + 3 I- = 2 SO42- + I3- 非基元反应 实验测得: v = k (S2O82-)(I-) 而不是 v = k (S2O82-)(I-)3

5.3 反应级数 (Order of reaction) 一、反应级数定义: 反应 a A + b B = d D + e E 实验测得速率方程式为: v = k(A)m(B)n 则 m 称为反应物A的分级数(Partial order of A); n 称为反应物B的分级数(Partial order of B) ; (m + n)为反应的级数(Order of reaction) 。 反应级数↑,表示浓度对反应速率影响↑ 反应级数是一个宏观物理量。

CO(g) + NO2(g) = CO2(g) + NO(g) 例1. 基元反应 CO(g) + NO2(g) = CO2(g) + NO(g) v = k (CO) (NO2) 对CO:1级反应;对NO2:1级反应; 该反应为2级反应。 2级反应k量纲:mol-1.dm3.s-1. 对于基元反应:m = a, n = b, m + n = a + b, 且a、b均为简单整数。

例2. S2O82- + 3I- = 2 SO42- + I3- 非基元反应 v = k (S2O82-)(I-) 该反应为2级反应。 例3. H2O2(aq) = H2O(l) + ½ O2(g) v = k (H2O2) 1级反应 例4. 核裂变 226 222 4 Ra → Rn + He 88 86 2 1级反应

例5. H2(g) + Cl2(g) = 2 HCl(g) v = k (H2)(Cl2)1/2 (链式反应机理) 对H2:1级反应,对Cl2:1/2级反应, 反应为3/2级反应。 例6. 2 Na(s) + 2 H2O (l) = 2 NaOH(aq) + H2(g) v = k (Na)0 = k 0级反应——反应速率与反应物浓度无关。

二、反应级数与反应速率变化规律 在(A)0 ~ (A), (t)0 ~ (t) 区间取定积分: 例,设某个一级反 应为:A → P 速率方程(微分式) 在(A)0 ~ (A), (t)0 ~ (t) 区间取定积分: ln (A) - ln (A)0 = - kt ln (A) = ln (A)0 - kt 换底, (5.5) lg(A) – t 图呈直线(见教材p.117图6-8), 是一级反应的特征。

当(A) = 1 /2 (A)0 时,对应于 t = t 1/2,即反应进行一半所需的时间,称为“半衰期”, t 1/2可由(5 lg (A) = lg (A)0 - kt/2.303 (5.5) lg [(A)/(A)0] = - kt/2.303 lg [½(A)0 /(A)0] = - k t 1/2 /2.303 lg (½) = - k t 1/2 /2.303 t 1/2 = 0.693/k 或 t 1/2 = ln 2 /k (一级反应) (5.6) 一、二、三和零级反应的速率变化规律见教材p.116 – 119.

反应: A  B 1级反应和2级反应的速率方程、k和t1/2 (教材p.116,图6-8) 2级反应 (教材p.118,图6-9) 速率方程 - dcA / dt = kcA - dcA / dt = kcA2 c – t 方程 ln cA = - kt + ln (cA)0 1/ cA = kt + 1 / (cA)0 线性方程 ln cA - t 1/ cA - t k k = - s (s斜率) k量纲:s-1 k = s k量纲:mol-1.dm3.s-1 t1/2 t1/2 = 2.303 lg 2 / k = 0.693 /k(常数) t1/2 = 1 / [k (cA)0] (不是常数)

反应: A  B 0级反应和3级反应的速率方程、k和t1/2 (教材p.116,图6-7) 3级反应 (教材p.118,图6-10) 速率方程 - dcA / dt = kcA0 - dcA / dt = kcA3 c – t 方程 cA = - kt + (cA)0 1/ cA2 = 2 kt + 1 / (cA)02 线性方程 cA - t 1/ cA2 - t k k = - s (s斜率) k量纲:mol1.dm-3.s-1 k = s / 2 k量纲:mol-2.dm6.s-1 t1/2 t1/2 = (cA)02 / 2 k (常数) t1/2 = 3 / [2k (cA)02] (不是常数)

1 级反应ln cA - t 、2级反应1/ cA - t和0级反应cA - t关系图

1级反应 (A) – t 图

2级反应 (A) – t 图

0级反应 (A) – t 图

三、反应分子数(只适用于基元反应) 从微观看,各反应为分子经碰撞而发生。反应过程中所包含的最低分子数目,称为“反应分子数”。 例:CO(g) + NO2(g)  CO2(g) + NO(g) 反应分子数 = 2 = 反应级数 对于基元反应:反应分子数 = 反应级数 微观 宏观 (从实验测定的速率方程得到) 对于非基元反应,反应分子数无意义。

5.4 反应机理 即反应所经历的具体历程(步骤)。按反应机理划分: 基元反应—即一步完成的反应 非基元反应—分若干个步骤进行的反应,又称“复杂反应” 或 “复合反应” ,由若干个基元反应构成。 基元反应可直接应用“质量作用定律”,写出速率方程; 非基元反应每个具体步骤(基元反应)也可应由质量作 用定律,但整个非基元反应的速率方程不能直接使用质量作 用定律,而要由实验测定。

例1. H2(g) + Br2(g) →2 HBr(g) 实验测得其速率方程为: v = k (H2) (Br2) 1/2 反应级数 = 1.5 现认为这个非基元反应包括3个基元反应: (1) Br2 → 2 Br k1 大(快) (2) Br + H2 → HBr + H k2 小(慢) (3) H+ Br2 → HBr + Br k3 大(快) (链式反应机理)

步骤(2) Br + H2 → HBr + H 是慢步骤,对整个复合反应的速率起控制作用,称为“控速步骤”,其速率方程为: v = d(HBr) / dt = k2(Br)(H2) 其中(Br)可由步骤(1)Br2 = 2Br 的平衡关系求出: K1 = [Br]2 / [Br2] [Br] = (K1[Br2] )1/2 代入前式,得总反应的速率方程式 : v = k2K11/2 (Br2) 1/2 (H2) v = k (Br2) 1/2 (H2) 式中,k = k2K11/2 . 若由实验测得反应的速率方程,计算反应级数与方程有关反应物的计量系数之和不相符,则可认为反应是“非基元反应”。

例2. NO2(g) + CO(g) = NO(g) + CO2(g) 反应机理

5.5 温度对化学反应速率的影响 例: 2 H2(g) + O2(g) = 2 H2O(g) 5.5 温度对化学反应速率的影响 例: 2 H2(g) + O2(g) = 2 H2O(g) rGm = -457.18 kJ.mol-1  0 (298 K) R.T. 几乎看不到反应.  T = 10 K, v 提高2 - 3倍。 点燃,爆炸 : T , k  , v 

一、k 与T 的关系 — Arrhenius公式 Arrhenius 参照 van’t Hoff 方程 : K = A exp (-Hø / RT) [即:K = A e (-Hø / RT)] 提出: k = A exp (-Ea / RT) (5.7) (指数式) 式中A — 频率因子,Ea — 实验活化能。

对 k = A exp (-Ea / RT) 取自然对数,得: ln k = ln A - Ea / RT 换底为常用对数: lg k = - Ea / 2.303RT + lg A (5.7.2) (5.7.2)式(教材p.113 6-8式)为直线方程, 以lg k 对 1/T 作图得直线(教材p.113图6-4), 由斜率可求出Ea: 直线斜率 s = - Ea / 2.303 R (5.7.3)

例: 2 N2O5(g)  4 NO2(g) + O2(g) 把T1,k1和T2,k2分别代入(5.7.2)式, 两式相减得: 也可以求出Ea。

例: 2 N2O5(g)  4 NO2(g) + O2(g) 不同温度下 lg k – 1/T (教材p.113表6-2)

以 lgk 对 1/T 作图得直线(教材p.113图6-4), 由直线斜率可求出Ea:s = - Ea / 2.303 R

二、反应活化能 反应活化能——指反应中活化分子平均能量与反应物分子平均 (5.8) 反应活化能是宏观物理量,具平均统计意义. 能量之差 (这点适用于“基元反应”): (5.8) 反应活化能是宏观物理量,具平均统计意义. 对于“非基元反应”,Ea的直接物理意义含糊。故有人把 实验测得的活化能称为“表观活化能”。 Arrhenius公式(5.7)、(5.8)既适用于基元反应, 也适用 于非基元反应。

5.6 基元反应的速率理论 碰撞理论和过渡状态理论 一. 碰撞理论 (Lewis提出, 主要适用于气体双分子反应 ): 5.6 基元反应的速率理论 碰撞理论和过渡状态理论 一. 碰撞理论 (Lewis提出, 主要适用于气体双分子反应 ): — 反应速率由碰撞频率(Z),有效碰撞占总碰撞次数的分数(能量因子f)和碰撞的方位因子(P)3个因素决定。 v = Z  f  P (5.9)

A、B的碰撞频率ZAB : (反应 A(g) + B(g) → D(g)) ZAB = Z0 (A) (B) (5.10) Z0为(A)、(B)为单位浓度时的碰撞频率, Z0与分 子量及分子大小有关。 2. 只有平均动能大于一个临界值Ec的A, B分子互相碰撞才 是“有效碰撞”。“有效碰撞”占总碰撞次数的分数 f,符合 Maxwell-Boltzmann 分布定律(正态分布),又称“能量因子”。 f = 有效碰撞次数 /总碰撞次数 = exp(- Ec / RT) (5.11)

Ec指发生有效碰撞的“分子对”所具有的最低动能(或称“阈能”), 且实验活化能 Ea = Ec + ½ RT ∵ Ec >> ½ RT  Ea  Ec 3. A、B分子沿着有利的方向碰撞才能发生“有效碰撞”。

NO2(g) + F2(g)  2 NO2F(g)

= Z0 (A) (B)  exp(- Ec / RT)  P v = k (A) (B) (5.9.1) 例:CO (g) + NO2 (g)  CO2 (g) + NO (g) (基元反应) 把(5.10), (5.11) 式代入(5.9)式,得 : v = Z  f  P = Z0 (A) (B)  exp(- Ec / RT)  P v = k (A) (B) (5.9.1) 式中, k =Z0  exp(- Ec / RT)  P (5.12)

可见,速率常数与Z0、 exp(- Ec / RT) 、 P 有关,即与 分子的大小、分子量、活化能、温度、碰撞方位等因素有关,从而从理论上论证了阿仑尼乌斯的公式,阐明了速率常数的物理意义。 该理论直观,但仅限于处理气体双分子反应,且把分子当作刚性球,忽略了的分子结构。

二、过渡状态理论(活化配合物理论) 由Eyring和Polanyi提出,运用了量子力学及统计力学方法。 要点: 1.反应物分子  活化配合物(过渡状态)  产物 2.位能(势能): 始态  过渡状态  终态 3. T 一定, Ea ,则活化分子总分子总数的比例 ,反应速率v ;反之, Ea  ,反应速率v  .

势能示意图 设反应为: A + B-C → A-B + C —— 活化配合物(过渡状态) Ea = 134 kJ.mol-1   —— ---------------- 势能 反应物分子  E’a = 368 kJ.mol-1 A + B-C r H 0 = - 234 kJ.mol-1   A–B + C ---------------- —— 产物

1.反应物分子—活化配合物(过渡状态) —产物 例: 快 A + B-C ↔ [A…B…C]* 活化配合物(过渡态) △G ø  (相当于Arrhenius“活化状态”) (*代表活化状态) 慢 ↔ A –B + C (化学键重组——原有键断开,形成新的键) 2.位能(势能) 设反应为: A + B-C → A-B + C 始态(反应物) < 过渡态(活化配合物)> 终态(产物) A + B-C A…B…C A-B + C

例:基元反应 NO2(g) + CO(g) = NO(g) + CO2(g) _ _ 可见:正反应活化能 Ea = E(活化配合物分子) - E(反应物分子) 逆反应活化能 Ea’ = E(活化配合物分子) - E(产物分子)

优点: (1)可以理论计算一些简单反应的活化能、且与 Arrhenius的实验活化能值相符。 (2)指出了反应速率与微观结构的联系,是一个正确方向。 (3)v 不但与Ea有关,而且与形成活化配合物过程G  有关,从而建立了动力学与热力学的桥梁。 缺点: (1)确定活化配合物的结构十分困难。 (2)目前只解决了一些简单反应,应用范围还较小。

6.6 催化剂与催化作用 催化作用的3个特点:用得多,了解得少,发展得快。 一、催化剂(Catalysts) — 能改变反应速率(k),而反应前、后本身的组成和质量不改变的物质。 催化剂:正催化剂,使v  负催化剂,使v  二、催化作用(Catalysis) — 催化剂改变反应速率的作用。 原因:改变了反应机理(途径)、使 Ea, k  , v .

催化剂(K)改变反应途径示意图

催化剂改变反应途径实例 例1. Br2 2 H2O2 (aq)→ 2 H2O(l) + O2(g)

例2. (零级反应) 据Arrhenius公式(基元、非基元反应均适用): 当 Ea , k   , v  .

注意:使用催化剂并不改变反应体系的始态和终态, 因此总反应的△Hø ,△Sø ,△Gø均不变, 例3. (503 K) (503 K) 同样,Ea , k   , v  . 注意:使用催化剂并不改变反应体系的始态和终态, 因此总反应的△Hø ,△Sø ,△Gø均不变, 由 △Gø = -RT lnK 可知,平衡常数K也不变。

例4. Pt C2H4(g) + H2(g) = C2H6(g)

(正)催化剂的作用 正催化剂能改变反应途径,降低Ea, 同等地提高正、逆反应速率, 但不会使原来的平衡移动, 也不能改变平衡常数。 对于热力学预言非自发的反应, 使用催化剂无作用, 即催化剂不能改变反应自发的方向。

第 5 章 小 结 1. 掌握反应速率定义。 2. 重点掌握速率方程式、反应级数; 只要求掌握一级反应 lg (A) – t 的关系。 3.重点掌握Arrhenius公式, lg k = -Ea / 2.303 RT + lgA 及“活化能”概念。 4. 掌握基元反应速率两种理论。 5. 一般了解催化作用。 6. 一般了解反应机理。

1. 反应速率定义 对于反应 瞬时速率为: 平均速率为: vi 为计量系数a、b、d、c,且对反应物取负值,对产物取正值。

2. 速率方程式、反应级数 CO(g) + NO2(g) → CO2(g) + NO(g) 该反应是基元反应(一步进行的反应)。 瞬时速率定义式: v = - dc (NO2) / dt = - dc (CO) / dt 速率方程式(动力学方程式) : v = k (CO )(NO2) 速率方程式表示反应速率与浓度的关系。 反应级数: 实验测得反应 a A + b B = d D + e E 的速率方程式为: v = k(A)m(B)n 则 m 称为反应物A的分级数(Partial order of A); n 称为反应物B的分级数(Partial order of B) ; (m + n)为反应的级数(Order of reaction) 。

一级反应 lg (A) – t 的关系 设某个一级反 应为:A → P lg(A) – t 图呈直线, 是一级反应的特征。 对应于 t = t1/2,即反应进行一半所需的时间,称为“半衰期”, t1/2可由上式求得: t1/2 = ln 2 /k (一级反应)

一、二、三和零级反应的速率变化规律 反应: A  B 1级反应和2级反应的速率方程、k和t1/2 (教材p.116,图6-8) 2级反应 (教材p.118,图6-9) 速率方程 - dcA / dt = kcA - dcA / dt = kcA2 c – t 方程 ln cA = - kt + ln (cA)0 1/ cA = kt + 1 / (cA)0 线性方程 ln cA - t 1/ cA - t k k = - s (s斜率) k量纲:s-1 k = s k量纲:mol-1.dm3.s-1 t1/2 t1/2 = 2.303 lg 2 / k = 0.693 /k(常数) t1/2 = 1 / [k (cA)0] (不是常数)

反应: A  B 0级反应和3级反应的速率方程、k和t1/2 (教材p.116,图6-7) 3级反应 (教材p.118,图6-10) 速率方程 - dcA / dt = kcA0 - dcA / dt = kcA3 c – t 方程 cA = - kt + (cA)0 1/ cA2 = 2 kt + 1 / (cA)02 线性方程 cA - t 1/ cA2 - t k k = - s (s斜率) k量纲:mol1.dm-3.s-1 k = s / 2 k量纲:mol-2.dm6.s-1 t1/2 t1/2 = (cA)02 / 2 k (常数) t1/2 = 3 / [2k (cA)02] (不是常数)

3. Arrhenius公式及“活化能”概念 k = A exp (-Ea / RT) (指数式) lgk = -Ea / 2.303 RT + lgA (对数式) A — 频率因子,Ea — 实验活化能。 以lg k 对 1/T 作图得直线, 由斜率可求出Ea:直线斜率 s = - Ea / 2.303 R 反应活化能——指反应中活化分子平均能量与反应物分子平均能量之差 (这点适用于“基元反应”):

4. 基元反应速率两种理论 (1) 碰撞理论 (适用于气体双分子反应 ): — 反应速率由碰撞频率(Z),有效碰撞占总碰撞次数的分数(能量因子f)和碰撞的方位因子(P)3个因素决定。 v = Z  f  P = Z0 (A) (B)  exp(- Ec / RT)  P v = k (A) (B) 式中, k =Z0  exp(- Ec / RT)  P

(2) 过渡状态理论(活化配合物理论) 例:基元反应 NO2(g) + CO(g) = NO(g) + CO2(g) _ _ _ _ 可见:正反应活化能 Ea = E(活化配合物分子) - E(反应物分子) 逆反应活化能 Ea’ = E(活化配合物分子) - E(产物分子)

5. 催化作用 催化剂(K)改变反应途径示意图

(正)催化剂的作用 正催化剂能改变反应途径,降低Ea, 同等地提高正、逆反应速率, 但不会使原来的平衡移动, 也不能改变平衡常数。 对于热力学预言非自发的反应, 使用催化剂无作用, 即催化剂不能改变反应自发的方向。

6. 反应机理 即反应所经历的具体历程(步骤)。按反应机理划分: 基元反应—即一步完成的反应 非基元反应—分若干个步骤进行的反应,又称“复杂反应” 或 “复合反应” ,由若干个基元反应构成。 基元反应可直接应用“质量作用定律”,写出速率方程; 非基元反应每个具体步骤(基元反应)也可应由质量作 用定律,但整个非基元反应的速率方程不能直接使用质量作 用定律,而要由实验测定。

第5章作业 教材p.120 – 123: 4, 5, 7, 11, 13, 14, 17, 20