大学无机化学ppt课件化学反应速率

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,Chap 3.,化学反应速率,1Chap 3. 化学反应速率,2,Chap 3,化学反应速率,Rate of Chemical Reaction,1,.,化学反应速率的定义及其表示方法,2,.,反应速率理论简介,碰撞理论、过渡态理论,3,.,浓度对化学反应速率的影响,反应级数,4.,温度对化学反应速率的影响,5.,催化剂对化学反应速率的影响,2Chap 3 化学反应速率 Rate of,3,反应热力学和反应动力学,化学反应涉及两个基本问题：,反应的方向和限度: 反应热力学,反应是否自发，自发的方向和程度,反应的速率和具体步骤: 反应动力学,研究途径和速率问题,3反应热力学和反应动力学化学反应涉及两个基本问题：,4,研究的目的,：,控制反应速率，使其按我们希,望的速率进行。,反应速率,快 ，如爆炸反应，中和反应。,慢，金属的锈蚀，食品的腐烂，,塑料的老化等。,研究反应速率的意义,4研究的目的：控制反应速率，使其按我们希 反应速率快 ，,5,3.1,化学反应速率的定义及其表示方法,一、化学反应速率,化学反应速率（,rate of a chemical reaction,）是衡量化学反应过程进行的快慢，即反应系统中各物质的数量随时间的变化率。,用浓度对时间作图，所得的曲线称作动力学曲线。可形象显示反应的快慢及与浓度的关系。,如：,H,2,O,2,(aq) H,2,O(l)+ 1/2O,2,(g),53.1 化学反应速率的定义及其表示方法一、化学反应速率,6,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90,t/min,1,0.8,0.6,0.4,0.2,0,c/mol,L,-1,3.1,化学反应速率的定义及其表示方法,一、化学反应速率,60 10 20 30,7,3.1,化学反应速率的定义及其表示方法,一、化学反应速率,在一般的化学反应中，各物质的化学计量系数常常不相同，反应物或生成物浓度的反应速率就会不同。,为使反应速率具有单一值，现采用反应进度 随时间的变化率来表示反应速率。定义为单位体积内反应进度随时间的变化率,=,:,反应速率；,V,:,反应系统的体积,73.1 化学反应速率的定义及其表示方法一、化学反应速率,8,3.1,化学反应速率的定义及其表示方法,一、化学反应速率,因为,c,B,为,B,的物质的量浓度；,B,为,B,的化学计量数,;,83.1 化学反应速率的定义及其表示方法一、化学反应速率,9,二、平均速率和瞬时速率,在恒容条件下，通常是以单位时间内反应物浓度减少的量或生成物浓度增加的量来表示。,反应速率 的量纲为浓度,时间,-1,，如,molL,-1,s,-1,。,平均速率,瞬时速率,3.1,化学反应速率的定义及其表示方法,9二、平均速率和瞬时速率 在恒容条件,10,c,产物,反应物,t,时间,：秒,(s),、分,(min),、,时,(h),。,浓度,：,mol / L,反应物,A,产物,B,平 均 速 率,10 c,11,对一般的化学反应：,a A + bB = cC + dD,整个反应的平均速率：,整个反应的平均速率,11 对一般的化学反应： 整个反应的平均速率：整个反应的平,12,【,例】,N,2,+ 3H,2,= 2NH,3,初始,t,1,1.0 3.0 0.0 mol,L,-1,2,秒后,t,2,0.8 2.4 0.4 molL,-1,12【例】 N2 + 3H2 =,13,瞬 时 速 率,反应速率为一变量，需以微分形式表达。,将时间间隔无限缩小,(,t,0),，平均速率的极限值即反应在时刻,t,的瞬时速率。,（A,为反应物）,反应物,A,产物,B,13瞬 时 速 率反应速率为一变量，需以微分形式表达。（A为,14,瞬时速率与时间的关系,14瞬时速率与时间的关系,15,整个反应的瞬时速率,对一般的化学反应：,a A + bB = cC + dD,15整个反应的瞬时速率 对一般的化学反应：,16,一、 有效碰撞理论,反应是通过反应物分子彼此,碰撞,而发生的，其中能发生反应的碰撞称为,有效碰撞,。,发生有效碰撞的分子称为,活化分子,。活化分子的百分数越大，有效碰撞数越多，反应速率也越大。,3.2,反应速率理论简介,活化分子所具有的最低能量(,E,*,E,C,),与整个反应物分子的平均能量(,E,平,),之差，称为实验活化能或,Arrhenius,活化能，简称活化能(,E,a,)。,16一、 有效碰撞理论反应是通过反应物分子彼此碰撞而发生的,17,有效碰撞理论中的活化能,活化能：活化分子具有的最低能量与分子的平均能量之差，,称为该反应的活化能,符号,E,a,。 单位：,kJmol,-1,（本书将活化分子具有的最低能量称为临界能,E,c,）,相同条件下，,E,a,越大，活化分子百分数(,f,）越小，反应越慢。反之，,E,a,越小，,f,越大，反应越快。,E,a,的大小与反应本性,(,物质的分子结构、化学键,),有关。,E,a,只能由实验来确定。,17有效碰撞理论中的活化能活化能：活化分子具有的最低能量与分,18,发生有效碰撞的条件,反应物分子必须具有,足够大的能量,。,只有能量足够大的分子在碰撞时，才能以足够大的动能去克服上述的电性排斥力，而导致原有化学键的断裂和新化学键的形成。,反应物分子要以适当的,空间取向,而发生碰撞。,如：,NO,+,O,3,= NO,2,+,O,2,NO,和,O,3,分子要发生定向碰撞，即,O,3,中的,O,原子,与,NO,中的,N,原子,相碰才能发生反应。,18发生有效碰撞的条件反应物分子必须具有足够大的能量。,19,NO(g) + O,3,= NO,2,(g) +O,2,(g),19NO(g) + O3 = NO2(g) +O2(g),20,有效碰撞理论总结,只有能量足够，方位合适的分子的碰撞才,是有效碰撞。,20有效碰撞理论总结只有能量足够，方位合适的分子的碰撞才,21,分子能量分布曲线,21分子能量分布曲线,22,碰撞理论的优、缺点,优点：直观、明了，易,于,接受;,缺点：模型过于简单。把分子简单地看成没有内部结构的刚性球体，要么碰撞发生反应，要么发生弹性碰撞。“活化分子”本身的物理图像模糊。,22碰撞理论的优、缺点优点：直观、明了，易于接受;缺点：模型,23,由反应物分子变为产物分子的化学反应并不完全是简单,的,几何碰撞，而是旧键的破坏与新键的生成的,连续过程,。,2. 当具有足够能量的分子以适当的空间取向靠近时，要进行化学键重排，能量重新分配，形成一个过渡状态的,活化配合物,。,3. 过渡状态的活化配合物是一种,不稳定状态,。,可形成生成物，也可回到反应物。,二、过渡态理论,3.2,反应速率理论简介,23由反应物分子变为产物分子的化学反应并不完全是简单的几何碰,24,如:,A+ B-C,A,B,C,= A-B +C,反应物 活化配合物 产物,在活化配合物中，原有化学键被削弱但未完全断裂，新的化学键开始形成但尚未完全形成（用虚线表示）,。,二、过渡态理论,3.2,反应速率理论简介,24如: A+ B-C ABC =,25,Energy,Reaction coordinate,Reactants,Products,25EnergyReaction coordinateRea,26,4.,反应速率,与下列三个因素有关:,活化配合物的浓度：浓度越大，反应速率越大。,活化配合物分解成产物的几率：几率越大，反应速率越大。,活化配合物分解成反应物的速率：速率越小，反应速率越大。,二、过渡态理论,3.2,反应速率理论简介,264.反应速率与下列三个因素有关:二、过渡态理论3.2 反,27,反应进程势能图,1,.,H,=,E,正,E,逆,2,.,微观可逆性原理,27反应进程势能图 1.H = E正 E逆 2. 微观,28,实验活化能,反应物分子须经过一个活化中间状态才能转化为产物，该中间状态即活化分子。,由普通反应物分子转变为活化分子需吸收的能量即活化能,E,a,。,根据活化能的大小，和反应能量变化曲线，可以知道反应是吸热的还是放热的，以及反应速率的相对快慢。,28实验活化能反应物分子须经过一个活化中间状态才能转化为产物,29,缺点：活化配合物的结构无法确定，方法过于复杂，应用受到限制。,过渡态理论的优、缺点,优点：吸收了碰撞理论中合理的部分,，,给活化能一个明确的模型；将微观结构与反应速率理论结合起来，这是比碰撞理论先进的一面。,29缺点：活化配合物的结构无法确定，方法过于复杂，应用受到限,30,3.3,浓度对反应速率的影响,基元反应、简单反应与复合反应,质量作用定律,速率方程式,简单级数反应,303.3 浓度对反应速率的影响基元反应、简单反应与复合反,31,基元反应(,elementary reaction),：反应物分子一步作用直接转化成产物的反应。由一个基元反应构成的化学反应称为简单反应。,例：,N,2,O,4,= 2NO,2,是基元反应，也是简单反应。,非基元反应：由两个或两个以上基元反应组成的化学反应，又称复合反应（,complex reaction,） 、总反应（,overall reaction）。,3.3,浓度对反应速率的影响,一、基元反应、简单反应与复合反应,31基元反应(elementary reaction) ：反,32,反应机理的概念,化学方程式只表示反应物和生成物的最终化学计量关系，从中无法得知反应过程中经历的具体途径。如：,H,2,+ Cl,2,= 2HCl,化学反应所经历的途径称为反应历程或反应机理(,reaction mechanism)。,32反应机理的概念化学方程式只表示反应物和生成物的最终化学计,33,关于基元反应,比较明确的基元反应是由分子内某一化学键断裂而引起的分解反应。例如下面的分解反应都是基元反应：,2,NO,2, 2NO + O,2,2NOCl 2NO + Cl,2,判断一个化学反应是基元反应还是非基元反应，须由实验测定。,33关于基元反应比较明确的基元反应是由分子内某一化学键断裂而,34,非基元反应的速控步骤,如反应,H,2,+ I,2,= 2HI,是分两步基元反应完成：,第一步,I,2,= 2 I,(,快),第二步,H,2,+ 2I = 2HI,(,慢),非基元反应中，总反应速率决定于其中最慢的基元反应的速率。这个基元反应称速率控制步骤，简称速控步骤(,rate controlling step),34非基元反应的速控步骤 如反应 H2 + I2,35,反应分子数,参加基元反应的粒子数目称为反应分子数。,反应分子数为1、2、3的反应分别叫,单分子、双分子和三分子反应,。,单分子反应：分解反应和异构化反应,C,2,H,5,Cl C,2,H,4,+ HCl,35反应分子数参加基元反应的粒子数目称为反应分子数。,36,3.3,浓度对反应速率的影响,在恒温下，基元反应的速率正比于各反应物浓度幂的乘积，这就是,质量作用定律,(,law of mass action),。各浓度幂中的指数等于基元反应方程式中各相应反应物的化学计量数。,例如: 对基元反应,a,A +,b,B + =,g,G +,h,H + ,=,k,c,A,a,c,B,b,式中常数,k,称为反应速率常数。,二、质量作用定律,363.3 浓度对反应速率的影响在恒温下，基元反应的速率正,37,关于质量作用定律,如果反应是复杂反应，则质量作用定律只适合于其中每一步反应，而不适合于总的反应。,纯固态或纯液态反应物的浓度不写入质量作用定律表达式中。,C,（,s,）,+ O,2,（,g,）,= CO,2,（,g,）,37关于质量作用定律如果反应是复杂反应，则质量作用定律只适合,38,关于质量作用定律,在稀溶液中进行的反应，若溶剂参与反应，也不写入质量作用定律,表达式中。,例如蔗糖水解,C,12,H,22,O,11,(,蔗糖,) + H,2,O = C,6,H,12,O,6,+ C,6,H,12,O,6,38关于质量作用定律在稀溶液中进行的反应，若溶剂参与反应，也,39,表示反应速率与反应物浓度之间定量关系的数学式称为速率方程式,(rate equation),。对于基元反应，可根据质量作用定律按化学反应方程式直接写出速率方程式；而对于复合反应，必须通过实验来确定速率方程式。,3.3,浓度对反应速率的影响,三、速率方程式,a,不一定为,; b,不一定为,39表示反应速率与反应物浓度之间定量关系的数学式称为速率方程,40,反 应 级 数,在具有反应物浓度幂乘积形式的速率方程中，各反应物浓度幂中的指数（,，,），称为该反应物的级数,。,所有反应物的级数之和，称为该反应的总级数（,+,） 。,反应级数与反应分子数是两个不同的概念。反应分子数是参加基元反应的分子数目，其值只能是正整数；反应级数是由实验确定的速率方程中各反应物浓度幂中的指数或其和，它可以是正数、整数，也可以是分数、负数或零。,40反 应 级 数在具有反应物浓度幂乘积形式的速率方程中，各,41,对于基元反应，可根据质量作用定律按化学反应方程式直接写出速率方程式。,a,A +,b,B + =,g,G +,h,H + ,=,k,c,A,a,c,B,b,反应级数为,a+b+,速率常数的单位是,molL,-1,s,-1,反应速率为常数，与反应物浓度无关,3.3,浓度对反应速率的影响,四、简单反应的级数,41对于基元反应，可根据质量作用定律按化学反应方程式直接写出,42,非基元反应的反应级数必须由实验确定。,可以是正数、整数，也可以是分数、负数或零。,例：零级反应(,zero order reaction),2Na + 2H,2,O = 2NaOH + H,2,v,=,k,3.3,浓度对反应速率的影响,四、简单反应的级数,42非基元反应的反应级数必须由实验确定。可以是正数、整数，也,43,一级反应(,first order reaction),反应速率与反应物浓度的一次方成正比的反应为一级反应。,k,的量纲为,时间,-1,43一级反应(first order reaction)反应,44,一级反应(,first order reaction),通常将反应物消耗一半所需的时间称为反应的半衰期（,half life,），用,t,1/2,表示。,44一级反应(first order reaction)通常,45,一级反应的特点,速率常数的单位为,s,-1,反应速率与反应物浓度成正比,反应的半衰期为常数,绝大多数药物在体内的代谢过程为一级反应,45一级反应的特点速率常数的单位为s-1,46,某药物分解30%即失效。药物初始浓度为5.0,mg/ml,在室温下放置20个月浓度降为4.2,mg/ml。,设此药物分解为一级反应，问标签上注明的有效期是多少？,【,例题,】,46某药物分解30%即失效。药物初始浓度为5.0mg/ml,47,解,47解,48,二级反应(,second order reaction),反应速率与反应物浓度的二次方成正比的反应为二级反应。二级反应通常有两种类型 ：,（,1,）,2A,产物 （,2,）,A + B,产物,若,A,、,B,起始浓度相同，（,2,）等同于（,1,）。,半衰期为：,k,的量纲为,浓度,-1, ,时间,-1,48二级反应(second order reaction)反,49,零级反应(zero order reaction),反应速率与反应物浓度无关的反应为零级反应。温度一定时，其反应速率为常数 。,半衰期为：,c,0,c,=,kt,k,的量纲为,浓度, ,时间,-1,49零级反应(zero order reaction)反应速,50,温度升高，化学反应速率加快，主要原因是分子的平均能量升高，有效碰撞增加，故速率加快。,一般而言，温度每升高10,K，,化学反应速率增加到原来的24倍。,相对而言，温度对活化能较大的反应影响更显著。,3.4,温度对反应速率的影响,50温度升高，化学反应速率加快，主要原因是分子的平均能量升高,51,阿仑尼乌斯（,Arrhenius,）方程,E,a,:,反应活化能；,A,：指前因子或频率因子,51阿仑尼乌斯（Arrhenius）方程Ea:反应活化能；A,52,阿仑尼乌斯方程的应用,a.,作图法,52阿仑尼乌斯方程的应用a.作图法,53,b.,两点法,阿仑尼乌斯方程的应用,53b.两点法阿仑尼乌斯方程的应用,54,例：实验测得反应2,NOCl（g）=2NO（g）+Cl,2,（g）,在300,K,时，,k,=2.810,-5,Lmol,-1,s,-1,，,400K,时，,k,=7.010,-1,Lmol,-1,s,-1,。,求反应的活化能。,54例：实验测得反应2NOCl（g）=2NO（g）+Cl2（,55,双分子反应：,绝大多数基元反应属于双分子反应。,CH,3,COOH + C,2,H,5,OH CH,3,COOC,2,H,5,+ H,2,O,三分子反应：较少见，一般只出现在有自由基或自由原子参加的反应中，例如：,H,2,+ 2I 2HI,55双分子反应：绝大多数基元反应属于双分子反应。,56,催化剂(,catalyst),：凡能改变反应速率，而本身的组成和质量在反应前后保持不变的物质。,催化作用,(,catalysis),：催化剂能改变反应速率的作用。,如:,3.5,催化剂对反应速率的影响,56催化剂(catalyst) ：凡能改变反应速率，而本身的,57,无催化剂：,A + B = AB,E,a,大、慢,加入催化剂,K：,A + B + K =AK + B =AB + K,快!,A+KAK,活化能为,E,1,AK+BAB+K,活化能为,E,2,由于,E,1,、,E,2,均小于,E,a，,活化分子比例 增大，反应速率加快。,催化机理,A+K,AK+B,AB+K,E,1,E,2,E,a,A + B = AB,57无催化剂：A + B = AB Ea 大、慢加入,58,催化剂的分类,正催化剂,: 加快反应速度。,负催化剂,: 减慢反应速率，又称阻化剂。,助催化剂,：自身无催化作用, 可帮助催化剂提高催化性能。,*,合成,NH,3,需要,Fe,粉催化剂,Al,2,O,3,、,K,2,O,助催化剂,不加以说明, 一般均指正催化剂。,58催化剂的分类正催化剂: 加快反应速度。,59,自 催 化,有些化学反应，能在反应中产生催化该反应的物质，称自催化作用；能催化反应的产物或中间产物，称,自催化剂,。,产物中,Mn,2+,对反应有催化作用, 叫自催化剂,59自 催 化 有些化学反应，能在反应中产生催化该反应的,60,选择性：特定的反应有特定的催化剂。,同样的反应, 催化剂不同时, 产物可能不同。,2,KClO,3,= 2KCl + O,2,MnO,2,4KClO,3,= 3KClO,4,+ KCl,无催化剂,改变反应速率, 不改变热力学数据。,只能加速热力学上认为可以实际发生的反应。,催化剂的特点,60选择性：特定的反应有特定的催化剂。同样的反应, 催化剂不,61,酶催化,1,、酶是由细胞合成的蛋白质,酶在体内的催化作用称为酶催化。,2,、酶具有高度的专一性和催化活性。,3,、酶易受温度影响而改变其活性。酶的最适温度一般为,310K,。,4,、当溶液,pH,改变时，就会改变酶的荷电状态，改变酶的构象，因而影响酶的催化活性。酶的最适,pH,。,61酶催化1、酶是由细胞合成的蛋白质,酶在体内的催化作用称为,62,本章小结,1,、平均速率,a A + bB = cC + dD,62本章小结1、平均速率,63,2,、瞬时速率,a A + bB = cC + dD,本章小结,632、瞬时速率本章小结,64,3,、,基元反应,：反应物分子一步作用直接转化成产物的反应。,4,、,反应分子数：,参加基元反应的粒子数目。,5,、浓度对反应速率的影响,质量作用定律：对基元反应,a,A +,b,B +,=,g,G +,h,H +,v,=,k,c,A,a,c,B,b,本章小结,643、基元反应：反应物分子一步作用直接转化成产物的反应。本,65,6,、温度对反应速率的影响,阿仑尼乌斯经验方程：,656、温度对反应速率的影响,66,7,、催化剂对反应速率的影响,(1),选择性。,(2),催化剂不同,同样的反应,产物可能不同。,2,KClO,3,= 2KCl + O,2,MnO,2,4KClO,3,= 3KClO,4,+ KCl,无催化剂,(3),改变反应速率, 不改变热力学数据。,只缩短达到平衡的时间，不改变平衡状态,;,不能使热力学认为不能进行的反应发生。,667、催化剂对反应速率的影响,67,谢谢！,67谢谢！,知识回顾,Knowledge Review,祝您成功！,知识回顾Knowledge Review祝您成功！,