气体反应 大气污染

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,*,Gaseous Reaction & Air Pollution,Chapter 3,气体反应,大气污染,第,3,章,1,了解大气的主要污染物，温室效应、臭氧层空洞、酸雨及光化学烟雾等综合性大气污染及其控制。,(1),了解浓度、温度与反应速率的定量关系；了解元反应和反应级数的概念；能用阿仑尼乌斯公式进行初步计算；能用活化能和活化分子的概念，说明浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响。,(2),掌握,的关系及有关计算，理解浓度、压力和温度对化学平衡的影响。,本章教学要求,2,3.1,理想气体,3,.2,化学反应速率,3,.3,化学平衡,3,.4,大气污染与防治,本 章 内 容,3,3.1.1,理想气体状态方程式,3.1.2,分压定律,3.1,理 想 气 体,4,气体的最基本特征：,具有可压缩性和扩散性。,人们将符合理想气体状态方程的气体，,称为理想气体。,理想气体分子之间没有相互吸引和排斥，分子本身的体积相对于气体所占有体积完全可以忽略。,3.1.1,理想气体状态方程式,5,pV = nRT,R-,摩尔气体常数,在,STP,下，,p,=101.325kPa,T,=273.15K,n,=1.0 mol,时,V,m,=22.414L=22.41410,-3,m,3,R,=8.314 kPa,L,K,-1,mol,-1,理想气体状态方程式,6,计算,p,，,V,，,T,，,n,四个物理量之一,气体摩尔质量的计算,M,=,M,r,g,mol,-1,理想气体状态方程式的应用,用于,温度不太低，压力不太高的真实气体。,pV = nRT,7,=,=,m,/,V,气体密度的计算：,即：,8,组分气体：,理想气体混合物中每一种气体叫做组分气 体。,分压：,组分气体,B,在相同温度下占有与混合气体相同体积时所产生的压力，叫做组分气体,B,的分压。,3.1.2,分压定律,9,分压定律,混合气体的总压等于混合气体中各组分气体分压之和。,p = p,1,+,p,2,+,或,p,=,p,B,其中：,n,=n,1,+,n,2,+,则：,即：,10,分压的求解：,式中：,x,B,B,的摩尔分数,（,）,（,）,（,）,/,（,） 得：,即：,11,例：,某容器中含有,NH,3,、,O,2,、,N,2,等气体的混合物。取样分析后，其中,n,(NH,3,)=0.320mol,，,n,(O,2,)=0.180mol,，,n,(N,2,)=0.700mol,；混合气体的总压,p,=133.0kPa,。试计算各组分气体的分压。,解：,n= n,(NH,3,)+,n,(O,2,)+,n,(N,2,),=,1.200mol,=0.320mol+0.180mol+0.700mol,12,p,(N,2,),= p- p,(NH,3,),- p,(O,2,),=(133.0-35.5-20.0)kPa,=77.5kPa,13,3.2,化学反应速率,3.2.1,反应速率的表示方法,3.2.2,反应速率的影响因素,14,如果体积不变：,3.2.1,反应速率的表示方法,注意,:,是反应方程的计量数，反应物取负值，生成物取正值。,1.,瞬时速率,15,a,A +,b,B,y,Y +,z,Z,对于一般的化学反应：,例,:,N,2,(,g,),+,3,H,2,(,g,),2,N,H,3,(,g,),16,2.,平均速率,某一有限时间间隔内浓度的变化量。,即为瞬时速率。,17,例,：,在给定条件下，,H,2,与,N,2,在密闭容器中合成,NH,3,的反应，各物质浓度变化如下：,起始浓度,c,0,/molL,-1,1.0 3.0 0,2s,后浓度,c,/molL,-1,0.8 2.4 0.4,浓度的改变量,c,/molL,-1,-0.2 -0.6 +0.4,N,2,(,g,),+,3,H,2,(,g,),2,N,H,3,(,g,),解：,18,由该题可知：同一反应，在相同时间段内，无论用反应物还是生成物所求的反应速率结果相同。,19,1.,浓度的影响,3.2.2,反应速率的影响因素,对于一般的化学反应：,该式被称为反应,速率方程式。,20,反应级数：,对反应物,A,反应级数为,； 对反应物,B,反应级数为,； 总反应级数 为,+,。,注意：,，,必须通过实验确定其值。通常,a,，,b,。,k,称为速率常数,：其数值不受浓度（或压强）的影响，但受温度的影响。其量纲由反应级数确定。,21,元反应（基元反应）：,由反应物直接生成产物的反应（反应过程无中间产物生成）,复合反应（复杂反应） ：,由两个或两个以上的反应组合而成的总反应。（在复合反应中,可用实验检测到中间产物的存在,但它被后面的一步或几步反应消耗掉,因而不出现在总反应方程式中。）,22,对于通式：,aA + bB = gG + dD,=,k,c,(A),a,.,c,(B),b,若为元反应，则反应速率方程为,质量作用定律：,对于,元反应,(,即一步完成的反应,),，反应速率与反应物浓度（以计量数为指数）的乘积成正比。,23,故：由质量作用定律可以直接写出一个元反应,的反应速率方程，并确定出其反应级数,2NO + O,2, 2NO,2,=,k,c,(NO),2,.,c,(O,2,),三级反应,例如：,C,2,H,5,Cl C,2,H,4,+ HCl,=,k c,(C,2,H,5,Cl ),一级反应,NO,2,+ CO NO + CO,2,=,k c,(NO,2,),.,c,(CO),二级反应,24,对于复杂反应：,2NO + 2H,2, N,2,+ 2H,2,O,反应机理,：又称反应历程，即组成复合反应,的一系列元反应的步骤。,研究认为：这个反应按照下列两个连续的过程进行的,2NO + H,2, N,2,+ H,2,O,2,（慢）,H,2,+ H,2,O,2, 2H,2,O,（快）,其中该过程中的每一步反应都是元反应，可以根据质量作用定律写出每一步的速率方程。,25,又如反应,：,H,2,+ I,2,2HI,，,其速率方程为：,=,k c,(H,2,),.,c,(I,2,),，,该反应也不是元反应。,从速率方程上看似乎是元反应，但它的反应机理：,a. I,2,2I b. H,2,+ 2I 2HI,26,结论：,（）,对于一个具体的反应，究竟是不是元反应，应以实验结果为准，切不可望文生义。,（）,一般情况下：增大反应物质的浓度，反应速率增加。,27,2.,温度的影响,阿仑尼乌斯,S. A. Arrhenius (1859-1927),，瑞典物理化学家，根据大量实验和理论验证，提出,反应速率与温度,的定量关系,式：,若以对数关系表示,：,注意：并非所有的反应都符合阿累尼乌斯公式。,（,3.1,）,(3.2),28,式中,:,A,为指前因子，与速率常数,k,有相同的量纲；,E,a,叫做反应的,活化能,(,也称阿仑尼乌斯活化能,),，常用单位为,kJ,.,mol,-1,；,A,与,E,a,都是反应的特性常数，基本与温度无关，均由实验求得。,(,b,),(1/,T )K,-1,O,图,3-1,常见反应的速率常数,k,与,T,的关系图,(,a,),O,T,/K,k,29,(1),求,E,a,：至今仍是动力学中求,E,a,的主要方法。,(2),由,E,a,计算,给定,T,反应速率常数,k,。,计算常用公式如下：,（,3.3,）,阿仑尼乌斯公式的应用,30,（,1,） 温度升高，反应速率常数增大，反应速,率加快。,（,2,）速率常数不仅与温度有关还与活化能有关。,结论：,31,以气体分子运动论为基础，主要用于气相双分子反应。,例如：反应,发生反应的两个,基本前提,：,发生碰撞的分子应有足够高的能量,碰撞的几何方位要适当,（,1,）碰撞理论,3.,活化能的影响,32,（,2,）活化络合物理论,(,过渡态理论,),具有足够能量的分子彼此以适当的空间取向相互靠近到一定程度时，会引起分子或原子内部结构的连续性变化，使原来以化学键结合的原子间的距离变长，而没有结合的原子间的距离变短，形成了过渡态的构型，称为,活化络合物,。,33,例如：,活化络合物,(,过渡态,),反应物,(,始态,),生成物,(,终态,),34,能量,II,图,3-2,反应系统中活化能示意图,E,a,(,正,) =,E,-,E,I,E,a,(,逆,) =,E,-,E,II,终态,反应过程,E,I,E,II,E,a,(,正,),E,a,(,逆,),E,r,H,m,始态,(,过渡态,),I,E,35,图,3-3,化学反应过程中能量变化曲线,E,a(,逆,),(,正,),(,正,),E,a(,逆,),E,ac,E,ac,36,（,3,）活化能与反应速率,一般化学反应的活化能在,60,440,kJmol,-1,之间，活化能的大小对反应速率影响非常大。,由阿仑尼乌斯公式：,由公式可知：,活化能越小，反应速率越大。,37,催化剂：,又称,触媒,是一种能显著加快,反应速率,但在反应前后自身的组成,质量和化学性质不发生变化的物质。,4.,催化剂的影响,38,催化作用的,特点,：,只能对热力学上可能发生的反应起作用。,通过改变反应途径以缩短达到平衡的时间。,只有在特定的条件下催化剂才能表现活性。,催化剂有选择性，选择不同的催化剂会有,利于不同种产物的生成。,39,（,1,）,均相催化：,催化剂与反应物种在同一相中的催化反应。,没有催化剂存在时，过氧化氢的分解反应为：,加入催化剂,Br,2,，可以加快,H,2,O,2,分解，分解反应的机理是：,第一步,总反应：,第二步,40,催化剂对反应活化能的影响,41,实验结果表明，催化剂参与的分解反应，改变了反应机理，降低了反应活化能，增大了活化分子分数，反应速率显著增大。,活化能降低使活化分子数增加,42,（,2,）多相催化：,催化剂与反应物种不属于同一物相的催化反应。,汽车尾气,(,NO,和,CO,),的催化转化：,反应在固相催化剂表面的活性中心上进行，催化剂分散在陶瓷载体上，其表面积很大，活性中心足够多，尾气可与催化剂充分接触。,43,酶催化,：以酶为催化剂的反应。,特点,： 高效,高选择性,条件温和,（,3,）酶催化,44,（,1,）浓度影响,：,当温度一定，某反应的活化能也一定时， 浓度增大，分子总数增加，活化分子数随之增多，即单位体积内活化分数增多,反应速率增大。,反应速率的影响因素结论：,（,2,）温度影响,：当浓度一定，温度升高，即单位体积内活化分数增多,反应速率增大。,45,（,3,）加入催化剂,：降低了活化能，使更多的分子成为活化分子，即单位体积内活化分数增多，有效碰撞大大增加，反应速率显著加快。,总之,：无论那种因素对反应速率的影响，最终看单位体积内活化分子数是否发生变化。若单位体积内活化分子数增加，则反应数率加快；相反，则反应速率减小。,46,3.3,化学平衡,3.3.2,化学平衡的移动,3.3.1,平衡常数表达式,47,对于恒温恒压下不做非体积功的化学反应，当,r,G,当,时，,平衡不发生移动；,J,=,时，,平衡向着正反应方向进行。,J,59,例题,(,重点,/,考点,),：,某容器中充有,N,2,O,4,(g),和,NO,2,(g),混合物，,n,(N,2,O,4,):,n,(NO,2,)=10:1,。在,308K,，,0.1MPa,条,件下，发生反应：,(2),使该反应系统体积减小到原来的,1/2,，反应在,308K,，,0.2MPa,条件下进行，平衡向何方移动？,N,2,O,4,(g) NO,2,(g),；,K,(308)=0.315,(3),在新的平衡条件下，系统内各组分的分压改变了多少？,(1),计算平衡时各物质的分压；,60,2.,温度的影响,是温度的函数。 温度变化引起 的变化，导致化学平衡的移动。,(1),对于吸热反应，升高温度,反应向着正反应方向移动，到达新平衡时，新的平衡常数增大。即,(2),对于放热反应，升高温度，反应向着逆反 应方向移动，到达新平衡时，新的平衡常数 减小。即,61,将,1.2 mol SO,2,和,2.0 mol O,2,的混合气体，在,800K,和,101.325 kPa,的总压力下，缓慢通过,V,2,O,5,催化剂使生成,SO,3,，在恒温恒压下达到平衡后，测得混合物中生成的,SO,3,为,1.1 mol,。,例题,(,重点,/,考点,),：,(3),讨论温度、总压力的高低对,SO,2,转化率,的影响。,(2),SO,2,的转化率。,(1),试利用上述实验数据求该温度下反应,2SO,2,+ O,2,= 2SO,3,的 。,62,此反应为气体分子数减小的反应，又是放热反应。根据平衡移动原理，高压低温有利于提高,SO,2,的转化率。,(3),讨论：,注：,在接触法制硫酸的生产实践中，为了充分利用,SO,2,，采用比本题更为过量的氧气，在常压下,SO,2,的转化率可高达,96 % -,98%,，所以实际上无需采取高压。,63,吕,查德里（,A. L. Le Chatelier,）,原理：,假如改变平衡系统的条件之一，如浓度、压力或温度，平衡就向能减弱这个改变的方向移动。,化学平衡的移动或化学反应的方向是考虑反应的自发性，决定于,r,G,m,是否小于零,；而化学平衡则是考虑反应的限度，即平衡常数，它取决于,r,G,m,(,注意不是,r,G,m,),数值的大小,。,特别注意,：,64,3.4,大气污染与防治,3.4.1,大气污染及其危害,3.4.2,大气污染的防治,65,氮氧化物：,NO,、,NO,2,等,NO,x,是形成硝酸酸雨的主要气体，其毒性比,CO,高,10,倍左右。,硫氧化物：,SO,2,、,SO,3,(SO,x,),硫氧化物主要来自于燃煤,，,是形成硫酸酸雨的主要气体。,颗粒物：,大气颗粒物包括尘（飘尘、落尘）、烟、雾等。,烃类,C,x,H,y,(,或简写为,HC),主要来源有炼油厂排放气、油品的不完全燃烧。,CO,和,CO,2,人类排放量最大的污染物，主要来自于燃料的不完全燃烧。其毒害是使血液失去输氧能力。,3.4.1.,大气的主要污染物及危害,66,小高炉炼钢,土法炼锌,贵州威宁彝族回族苗族自治县二塘镇,67,1.,环境污染物的来源,工业：,三废，量大、成分复杂、毒性强。,农业：,农药、化肥、农业废弃物等。,交通运输：,噪音、燃料燃烧的排放物等。,生活：,生活中的,“,三废,”,等。,68,主要污染物为颗粒物、,SO,2,等黄色烟雾。,12,月,10,日大雾散去，,4000,人死亡，其中大部分是老人，感染支气管炎和有关肺部疾病的患者达数千人,.,伦敦烟雾,1952.12.5-9,2.,重要的大气污染事件,69,主要污染物是,O,3,、,PAN,、醛类、,NO,x,等蓝色烟雾，死亡,400,人。,这类污染容易在夏秋季、气温较高的气象条件下形成。,洛杉矶烟雾,1952.12,70,(1),固定源排放的废气比例较高、污染严重。,(2),燃煤大国，属煤烟型污染。,(3),机动车污染日益严重。,3.,我国空气污染的主要特征,主要,原因：,煤为主要能源，废气一般虽经除尘但未脱硫。,民用煤比例过高。,燃煤设备热效率低。,发展中国家。,71,(1),消除烟尘,(2),二氧化硫的控制,石灰乳法：,主要技术措施：,*改进产生污染源的生产工艺和设备。,*更换燃料或使用清洁能源。,*净化排出的废气。,3.4.2.,大气污染的防治,2Ca(HSO,3,),2,+ O,2,+ 2H,2,O 2CaSO,4,2H,2,O + 2H,2,SO,4,72,(3),汽车废气治理,六环牌,HX-OEM-3C-I,型三元催化剂,当前,Pt,、,Pd,、,Ru,催化剂,(CeO,2,为助催化剂、耐高温陶瓷为载体,),可使尾气中有害物质转化率超过,90%,。,73,全球性大气污染,(1),酸雨,酸雨、全球气候变暖与臭氧层的破坏是当,前困扰世界的三大全球性大气污染问题。,74,(1),SO,2,+ H,2,O = H,2,SO,3,2H,2,SO,3,+ O,2,= H,2,SO,4,SO,3,+ H,2,O = H,2,SO,4,(2),3NO,2,+ H,2,O = 2HNO,3,+ NO,酸雨对水体、森林和土壤都有重要影响。,酸雨的形成,：,75,温室气体主要有,CO,2,、,CH,4,、,N,2,O,、,CFC,、,O,3,等多原子分子。,(2),温室效应与全球气候变暖,76,洪涝,沙漠化,控制全球变暖的基本对策：,基本控制对策,能源对策,绿色对策,(2),发达国家负有减少温室气体排放的主要责任。,77,破坏臭氧层的化学物质主要归纳为,三个方面,：,(1),制冷剂氟利昂和灭火剂哈龙；,(2),大型喷气飞机的高空飞行；,(3),核爆炸。,人类活动排入大气的某些化学物质与臭氧发生作用，导致了臭氧的损耗。,(3),臭氧层空洞,78,1925,年美国化学家,托马斯,.,米德奇雷,(Thomas Midgly),成功制得了完全符合制冷要求的新化合物,CF,2,Cl,2,(,沸点,29.8,),，并于,1930,年投产。,1960,年起大量生产和使用，至,1974,年达生产高峰。广泛用做制冷剂、喷雾剂、发泡剂、清洁剂等。,20,世纪七八十年代科学家们已研究清楚氟利昂是破坏臭氧层的主要物质，从此开始限制生产,和使用。,氟利昂的功与过,79,(4),化学平衡可以随温度、压力、组成的改变而移动。但只有温度的变化会改变标准平衡常数,K,的数值。,本章小结,(1),掌握关于化学反应速率的基本概念：基元反应；质量作用定律；反应级数等基本概念。,(2),阿累尼乌斯经验式,k,=,A,exp(,E,a,/,RT,),与活化能概念。,(3),提高温度、增加反应物浓度、添加催化剂都可以提高反应速率。其主要是增加了单位体积活化分子数。,80,（,5,）,大气污染物主要分为颗粒物、硫氧化物、氮氧化物、,CO,和,CO,2,以及烃类污染物等。,SO,2,和,NO,x,是造成酸雨的罪魁祸首，,NO,x,和,HC,可造成光化学烟雾，,HC,和,CO,2,等会造成地球的温室效应,。,End,81,