无机化学第四章-化学反应速率和化学平衡

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,四,章,化学反应速率和化学平衡,第一节,化学反应速率,第,二,节,反应速率理论简介,第,三,节,影响化学反应速率的因素,第,四,节,化学平衡和平衡常数,目录,第,五,节,影响化学平衡的因素,第,四,章,化学反应速率和化学平衡,学习目标,掌握,化学反应速率及影响因素；化学平衡及影响因素；,平衡常数。,熟悉,碰撞理论。,了解,过渡态理论；多重平衡；生物系统中的稳态和内稳。,第,四,章,化学反应速率和化学平衡,第一节,第,四,章,化学反应速率和化学平衡,化学反应速率,结论：,1.,随着时间的推移，各物质浓度变化的趋势逐渐减弱。,2.,各物质在相同的时间段内，浓度的变化是不一样的。,浓度随时间变化（,c,-,t,曲线,）：,2N,2,O,5,(g)4NO,2,(g)+O,2,(g),第一节,化学反应速率,一、浓度随时间变化曲线,浓度随时间变化曲线,是指在一定条件下，反应物转化为生成物的速率。,用单位时间内某物质浓度变化的绝对值来表示。,符号为“,v,”,，单位为“,mol/(Ls),、,mol/(Lmin),”。,第一节,化学反应速率,化学反应速率的定义,二、平均速率和瞬时速率,任意一个反应,：,m,A+,n,B=,p,C+,q,D,第一节,化学反应速率,1.,同一反应，物质不同，表示该反应速率的数值也不相同。,2.,通常选用容易测定的那一种物质浓度的变化来表示。,3.,同一反应的各物质的反应速率表达式之间存在着一定的关系。,（一）平均速率,二、平均速率和瞬时速率,3.,常用作图法来求取，如右图：,浓度随时间变化曲线,第一节,化学反应速率,（二）瞬时速率,1,.,当 趋于,0,时，反应物浓度的减少或生成物浓度的增加,。,2.,表达式：,二、平均速率和瞬时速率,第,二,节,第,四,章,化学反应速率和化学平衡,反应速率理论简介,理论要点：,1.,反应物分子相互碰撞是化学反应发生的前提。,反应速率与单位时间、单位体积内反应物分子的碰撞次数成正比。,2.,碰撞是分子间发生反应的必要条件，但不充分条件。,能发生反应的碰撞称为有效碰撞。,不能发生反应的碰撞则为无效碰撞。,一、碰撞理论,第二,节 反应速率理论简介,3.,反应速率要同时考虑分子的有效碰撞和分子碰撞时的取向。,分子碰撞的取向,活化分子与活化能,能发生有效碰撞的分子称为活化分子,相互碰撞的分子必须具有足够的能量,一、碰撞理论,第二,节 反应速率理论简介,活化能,不同的反应，其反应的活化能各不相同。,每一反应都有其特定的活化能，一般在,60,250kJ/mol,。,化学反应的活化能越小，化学反应速率就越大。,活化能（）：,活化分子所具有的最低能量（）与反应物分子的平均能量（）之差。,即：,一、碰撞理论,第二,节 反应速率理论简介,活化配合物：,反应过程中，反应物分子先成活化配合物，然后再转化为产物。,反应历程,-,势能图如右图：,二、过渡态理论,第二,节 反应速率理论简介,反应历程,-,势能图,第,三,节,第,四,章,化学反应速率和化学平衡,影响化学反应速率的因素,（一）基元反应和复杂反应,1.,基元反应,一步就能完成的反应。,2.,复杂反应,由两个或两个以上基元反应构成的反应。,3.,化学反应经历的途径称为反应机制（或反应历程）。,4.,限速步骤 决定反应速率的那一步基元反应。,第,三,节,影响化学反应速率的因素,一、速率方程,浓度对反应速率的影响,基元反应的判定必须要通过实验才能证实。,一个化学反应方程式并不代表是基元反应。,第,三,节,影响化学反应速率的因素,（二）速率方程,对于基元反应,:,m,A+,n,B=,p,C+,q,D,1.,质量作用定律,在一定温度下，化学反应速率与各反应物浓度幂的乘积成正比，,其中各浓度的幂指数分别为反应方程式中的化学计量数。,2.,速率方程,3.,k,为反应速率常数，,k,值的大小与反应物的本性有关。,一、速率方程,浓度对反应速率的影响,17,4.,反应速率常数,k,的值与反应物的浓度无关，但受温度、溶剂、催化剂等条件的影响。,越大，反应速率越快；反之，越小，反应速率越慢。,第,三,节,影响化学反应速率的因素,5.,化学反应速率方程式的书写,稀溶液中的溶剂参与反应时，其浓度视为不变量。,反应物为固态物质时，其浓度视为常数。,气体反应，可用气态物质的分压来代替其浓度。,物理意义：,反应物浓度为单位浓度时的反应速率，其大小反映了在给定条件下化学反应速率的快慢。,一、速率方程,浓度对反应速率的影响,（二）速率方程,温度对化学反应速率的影响特别显著。,温度对 的影响，实质是温度对 的影响。,1889,年，阿仑尼乌斯指出 与热力学,温度,之间存在定量关系。,18,二、阿仑尼乌斯方程,温度对反应速率的影响,第,三,节,影响化学反应速率的因素,阿仑尼乌斯方程：,反应速率常数与绝对温度,T,呈指数关系，表明温度的微小变化，将导致 值的较大变化。,19,温度与反应速率常数的关系,1.,以 对 作图应为一条直线，直线的斜率为,，截距为,。,2.,直线,的,斜率（绝对值）较小，代表活化能较小的反应；直线,的斜率较大，代表活化能较大的反应。,3.,活化能较大的反应，其反应速率随温度升高增加较快。,第,三,节,影响化学反应速率的因素,温度与反应速率常数的关系,二、阿仑尼乌斯方程,温度对反应速率的影响,反应,C,2,H,5,Cl,（,g,）,C,2,H,4,（,g,）,+HCl,（,g,），已知,A,=1.610,14,/s,，,=246.9 kJ/mol,，求,700K,时的速率常数,。,第,三,节,影响化学反应速率的因素,例,4-1,解：根据阿仑尼乌斯方程，将已知条件代入：,同理，可以算出：,二、阿仑尼乌斯方程,温度对反应速率的影响,21,催化剂改变化学反应速率的本质,：,本身参与了反应，改变了反应历程，降低了反应活化能，从而大大加快了反应速率。,三、催化剂对反应速率的影响,第,三,节,影响化学反应速率的因素,（一）催化剂,催化反应历程图,催化剂,：,能改变化学反应速率，本身的质量和化学性质在反应前后均不改变的物质。,催化剂的特点：,只改变化学反应速率，不影响化学反应的始态和终态。,对可逆反应，可以同等程度地加快正、逆反应的速率。,催化剂具有专一的选择性。,22,第,三,节,影响化学反应速率的因素,酶具有极高的催化效率。,酶催化的反应所需的条件非常温和。,酶具有极高的专一性。,酶的稳定性是相对的。,（二）酶不同于一般的催化剂,三、催化剂对反应速率的影响,第,四,节,第,四,章,化学反应速率和化学平衡,化学平衡和平衡常数,一、可逆反应,425,时氢气和碘蒸气：,H,2,(g)+I,2,(g)2HI(g),正反应：从左到右进行的反应；,逆反应：从右到左进行的反应。,不可逆反应：在一定条件下，只能向一个方向进行的反应。,可逆反应：,指同一条件下，既能向正反应方向进行又能向逆反应方向进行的反应。常用符号“”表示可逆。,第,四,节,化学平衡和平衡常数,25,可逆反应的反应速率变化示意图：,化学平衡：,在一定条件下，可逆反应的正、逆反应速率相等时，各物质的浓度不再随时间而改变，此时反应体系所处的状态称为化学平衡状态。,二、化学平衡,第,四,节,化学平衡和平衡常数,可逆反应的反应速率变化示意图,26,思考：,外界条件的改变会使处于平衡状态的可逆反应发生哪些变化？,第,四,节,化学平衡和平衡常数,可逆反应达到化学平衡的特征：,动：,化学平衡是动态平衡。,静：,反应处于相对静止状态，体系中各物质的浓度保持一定。,定：,平衡状态只与反应条件（如温度）有关，与反应途径无关。,变：,外界条件一旦改变，原来的平衡状态即被破坏。,二、化学平衡,（一）经验平衡常数,生成物浓度幂的乘积与反应物浓度幂的乘积之比为一常数。,任一反应：,a,A+,b,B,d,D+,e,E,27,第,四,节,化学平衡和平衡常数,浓度平衡常数：,分压平衡常数：,、,称为经验平衡常数。,三、平衡常数,28,2.,标准平衡常数 的表达式,浓度或分压是指平衡时的浓度或分压。,纯固体或纯液体不写入平衡常数表达式中。,稀溶液中，水的浓度不必写在平衡常数表达式中。,与化学反应方程式一致。,第,四,节,化学平衡和平衡常数,（二）标准平衡常数,(,),1.,标准平衡常数表达式,对,反应,a,A(s)+,b,B(aq),d,D(g)+,e,E(aq),三、平衡常数,练一练：,写出些列反应的标准平衡常数 表达式。,1.NH,4,Cl(s)NH,3,(g)+HCl(g),2.3H,2,(g)+N,2,(g)2NH,3,(g),3.N,2,H,4,(l)N,2,(g)+2H,2,(g),4.H,2,O H,+,+OH,-,5.Ag,2,S(s)+H,2,(g)2Ag(s)+H,2,S(g),29,第,四,节,化学平衡和平衡常数,三、平衡常数,4.,平衡常数的应用,Q,=,K,c,反应处于平衡状态,Q,K,c,反应向正反应方向进行,Q,K,c,反应向逆反应方向进行,用平衡常数判断可逆反应进行的方向和限度。,第,四,节,化学平衡和平衡常数,平衡转化率与指定反应物有关，通常以,表示。,平衡常数的大小是可逆反应进行程度的标志。,平衡常数是可逆反应的特性常数。,3.,标准平衡常数 的意义,三、平衡常数,第,四,节,化学平衡和平衡常数,例,4-2,25,时，可逆反应,的标准平衡常数,=2.2,，若,Pb,2+,的起始浓度为,0.10mol/L,，计算,Pb,2+,和,Sn,2+,的,平衡浓度及,Pb,2+,的转化率。,解：设,Sn,2+,的,平衡浓度为,x,mol/L,，由反应式可知,Pb,2+,的平衡浓度为,(0.10-,x,)mol/L,。,上述可逆反应的标准平衡常数表达式为：,将数据代入上式得：,x,=0.069(mol/L),Sn,2+,和,Pb,2+,的,平衡浓度为：,Pb,2+,的平衡转化率为：,三、平衡常数,四、多重平衡规则,某些化学反应可表示为两个或多个反应的总和，这样的平衡体系称为多重平衡。,多重平衡中，总反应的平衡常数等于各反应平衡常数之积，这个关系称为多重平衡规则。,第,四,节,化学平衡和平衡常数,若已知反应分两步进行，有 和 ，则：,第,五,节,第,四,章,化学反应速率和化学平衡,影响化学平衡的因素,一、浓度对化学平衡的影响,氯化铁与硫氰酸钾反应：,FeCl,3,KSCN K,3,(SCN),6,3KCl,（血红色）,化学平衡的移动：由于外界条件的改变，可逆反应由一种平衡状态转变到另一种平衡状态的过程。,第,五,节,影响化学平衡的因素,浓度对化学平衡的影响,增加反应物,现象,K,3,(SCN),6,平衡移动,FeCl,3,溶液颜色加深,增多,向右移动,KSCN,溶液颜色加深,增多,向右移动,其他条件不变时，增大（减小）平衡体系中反应物或生成物的浓度，平衡体系就向着减小（增大）该物质浓度的方向移动。,第,五,节,影响化学平衡的因素,结论：在其他条件不变的情况下，,增大反应物的浓度，平衡向正反应方向（或向右）进行。,减小生成物的浓度，平衡向正反应方向（或向右）进行。,减小反应物的浓度，平衡向逆反应方向（或向左）进行。,增大生成物的浓度，平衡向逆反应方向（或向左）进行。,反应前后的气体分子总数不相等,如：,2NO,2,(g)N,2,O,4,(g),（红棕色）（无色）,增大压力，平衡体系向着生成,N,2,O,4,的方向，即向着气体分子总数减小的方向移动，体系中气体的颜色由深变浅。,二、压力对化学平衡的影响,反应前后的气体分子数相等,如：,CO(g),H,2,O(g)CO,2,(g),H,2,(g),反应物和生成物的浓度发生同等程度的变化，故增大压力不改变化学反应的平衡状态，化学平衡不发生移动。,第,五,节,影响化学平衡的因素,反应,A(g)+B(g)C(g),是放热反应。当反应达到平衡后，如果改变下列反应条件，,C,的平衡浓度如何变化？,（,1,）增加总压；（,2,）加入,