化学反应速率反应速率与浓度的关系反应速省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1.4.1化学反应速率化学反应速率1.4.2反应速率与浓度关系反应速率与浓度关系1.4.3反应速率与温度关系反应速率与温度关系阿仑尼乌斯公式阿仑尼乌斯公式1.4.4催化剂对反应速率影响催化剂对反应速率影响 1.4.5反应速率理论与活化能反应速率理论与活化能1.4.6几个类型几个类型化学反应化学反应1.4化学反应速率化学反应速率第1页第2页反应转化速率为：反应转化速率为：=B-1等容：等容：=/V=B-1=B-1表示反应中任何一个物质表示反应中任何一个物质B浓度浓度cB随时间随时间t改变率。改变率。1.4.1化学反应速率化学反应速率B对于化学反应：对于化学反应：0=BB第3页反应速率反应速率(rateofreaction)惯用单位为：惯用单位为：moldm-3s-1=B-1表示反应瞬时速率表示反应瞬时速率=B-1表示反应平均速率表示反应平均速率对于同一化学反应，不论用什么物质浓对于同一化学反应，不论用什么物质浓度改变来表示该反应速率，数值都是一度改变来表示该反应速率，数值都是一样。样。第4页比如比如:N2+3H2=2NH3起始浓度起始浓度c/moldm-31.03.002秒后浓度秒后浓度c/moldm-30.82.40.4求该反应在求该反应在2秒时化学反应速率。秒时化学反应速率。解：解：或或第5页1.4.2反应速率与浓度关系反应速率与浓度关系1.反应速率经验方程反应速率经验方程对反应对反应:aA+bB=yY+zZ速率方程式为：速率方程式为：=k.c(A).c(B)A物质反应级数物质反应级数(orderofreaction)B物质反应级数物质反应级数(orderofreaction)+=n反应总级数反应总级数 (overallorderofreaction)第6页k：反应反应速率系数速率系数(ratecoefficientofreaction)其单位与反应总级数相关其单位与反应总级数相关 k=k物理意义：给定温度下各反应物浓度物理意义：给定温度下各反应物浓度 为单位物质量浓度时反应速率。为单位物质量浓度时反应速率。第7页元反应元反应(elementaryreaction):由一步完由一步完成简单反应。成简单反应。对于元反应，在一定温度条件下，其反应对于元反应，在一定温度条件下，其反应速率和反应物浓度（以该物质化学计量数速率和反应物浓度（以该物质化学计量数绝对值为指数）乘积成正比。绝对值为指数）乘积成正比。这一规律称这一规律称质量作用定律质量作用定律(lawofmassacton)2.元反应和质量作用定律元反应和质量作用定律第8页对反应对反应:aA+bB=yY+zZ反应速率方程式为：反应速率方程式为：式中：a、b分别为反应物分别为反应物A和和B反应级数反应级数n=a+b为反应为反应总级数总级数第9页例题：例题：写出元反应写出元反应NO2+CO=NO+CO2反反应速率方程式、反应总级数和应速率方程式、反应总级数和反应速率系数反应速率系数单位。单位。解：解：依据质量作用定律：依据质量作用定律：=k.c(NO2).c(CO)n=1+1=2反应为二级反应。反应为二级反应。k单位：单位：mol-1dm3s-1第10页 复合反应复合反应:对于很多化学反应，从反应机对于很多化学反应，从反应机理来看，不属于元反应，而是复杂反应。这理来看，不属于元反应，而是复杂反应。这些复杂反应往往由两个或多个元反应组成。些复杂反应往往由两个或多个元反应组成。其总反应速率实际是由各步反应中反应速率其总反应速率实际是由各步反应中反应速率最慢一步所决定。最慢一步称该化学反应最慢一步所决定。最慢一步称该化学反应速速率决定步骤率决定步骤(rate-determiningstep)。3.复合反应复合反应反应速率方程反应速率方程第11页试验证实：试验证实：2NO+2H2N2+2H2O是复是复合反应，机理是按以下元反应进行合反应，机理是按以下元反应进行:2NO+H2N2+H2O2-(1)慢慢H2O2+H22H2O-(2)快快慢一步反应是总反应控制步骤，所以总慢一步反应是总反应控制步骤，所以总反应反应速率方程式取决于慢一步为反应反应速率方程式取决于慢一步为:=kc(NO)2c(H2)第12页例题：例题：在在800oC时，对时，对2NO+2H2N2+2H2O进行反应速率试验测定，数据以下：进行反应速率试验测定，数据以下：试验试验标号标号起始浓度起始浓度/(moldm-3)起始反应速率起始反应速率/(moldm-3s-1)16.0010-31.0010-33.1910-326.0010-32.0010-36.3610-331.0010-36.0010-30.4810-342.0010-36.0010-31.9210-3c(NO)c(H2)也能够经过试验数据来归纳反应速率方程式也能够经过试验数据来归纳反应速率方程式第13页(1)写出写出该该反应速率方程式，指出反应反应速率方程式，指出反应 总级数；总级数；(2)计算该反应在计算该反应在800oC时反应速率系数；时反应速率系数；(3)当当c(NO)=4.0010-3moldm-3,c(H2)=5.0010-3moldm-3时时,计算在计算在 800 C时反应速率。时反应速率。第14页解：解：(1)从试验标号从试验标号1到到2能够看出，当能够看出，当c(NO)保持不变时，保持不变时，c(H2)增加一倍，增加一倍，也增加一倍，也增加一倍，所以所以 c(H2);从试验标号从试验标号3到到4能够看出，当能够看出，当c(H2)保持不变保持不变,c(NO)增加到原来增加到原来2倍时，倍时，增大到增大到4倍倍,即即 c(NO)2;所以所以 c(NO)2c(H2)写成等式：写成等式：=kc(NO)2c(H2)三级反应三级反应第15页(3)=8.0104dm6mol-2s-1(4.0010-3moldm-3)2(5.0010-3moldm-3)=6.410-3moldm-3s-1(2)将试验标号将试验标号3数据带入上式，得数据带入上式，得第16页 从中看出对复合反应从中看出对复合反应：aA+bBcC+dD 其速率方程式通式为其速率方程式通式为：=kc(A)xc(B)y x、y分别称为反应物分别称为反应物A和和B反应级数反应级数 x+y 称为反应称为反应总级数总级数x、y经过试验确定经过试验确定第17页（1）经过试验确定是元反应还是复杂反应经过试验确定是元反应还是复杂反应；（2）反应速率系数反应速率系数k：k 大小与浓度无关，与温度大小与浓度无关，与温度T、催化、催化 剂相关剂相关。k 单位随反应级数不一样而不一样单位随反应级数不一样而不一样。（3）在速率方程式中不包含纯固体和纯液体在速率方程式中不包含纯固体和纯液体。第18页Arrhenius方程方程式式指数形式指数形式:A指前参量指前参量(frequencyfactor)Ea活化能活化能(activationenergy)单位为单位为kJmol-1对数形式：对数形式：1.4.3反应速率与温度关系反应速率与温度关系 阿仑尼乌斯公式阿仑尼乌斯公式第19页(1)对同一反应，已知对同一反应，已知T1k1，T2k2，求，求Ea活化能数量级在活化能数量级在40400kJmol-1，多，多数为数为60250kJmol-1。两式相减，整理得到：两式相减，整理得到：Arrhenius方程方程式应用式应用第20页(2)由由Ea计算反应速率系数计算反应速率系数例题：例题：2N2O5(g)2N2O4(g)+O2(g)已知：已知：T1=298.15K,k1=0.46910-4s-1T2=318.15K,k2=6.2910-4s-1求：求：Ea及及338.15K时时k3。解：解：第21页在在,Ea处于方程处于方程指数项中，对指数项中，对k有显著影响，在室温下，有显著影响，在室温下，Ea每增加每增加4kJ mol-1，k值降低约值降低约80%；温度升高，温度升高，k增大，普通反应温度每升高增大，普通反应温度每升高10，k将增大将增大210倍；倍；对对Arrhenius方程深入分析方程深入分析第22页 对不一样反应，升高相同温度，对不一样反应，升高相同温度，Ea大反大反应应k增大倍数多，所以升高温度对反应慢增大倍数多，所以升高温度对反应慢反应有显著加速作用。反应有显著加速作用。依据依据对同一反应，升高对同一反应，升高一定温度，在高温区值增加较少，一定温度，在高温区值增加较少，所以对于所以对于原本反应温度不高反应原本反应温度不高反应,可采取升温方法提升可采取升温方法提升反应速率；反应速率；第23页1.4.4催化剂对反应速率影响催化剂对反应速率影响 催化剂催化剂(catalyst)：存在少许就能存在少许就能显著加速反应而本显著加速反应而本身最终并无损耗物身最终并无损耗物质。质。第24页 催化剂对反应速率影响与浓度、温度影催化剂对反应速率影响与浓度、温度影响不一样。浓度、温度改变时，普通不改变响不一样。浓度、温度改变时，普通不改变反应历程，而催化剂是经过改变反应历程，而催化剂是经过改变反应历程反应历程(reactionmechanism)，降低反应活化能来降低反应活化能来提升反应速率。提升反应速率。第25页催化反应分为均相催化和非均相催化催化反应分为均相催化和非均相催化均相催化均相催化:反应物、产物、催化剂均处于一个反应物、产物、催化剂均处于一个 相中。相中。气相均相催化气相均相催化 SO2+1/2O2SO3液相均相催化液相均相催化 C12H22O11+H2OC6H12O6+C6H12O6非均相催化非均相催化:反应物、产物、催化剂可处于不一反应物、产物、催化剂可处于不一样样 相中相中N2ON2+1/2O2NOH+Au第26页 催化剂参加了化学反应，改变了反应历程，催化剂参加了化学反应，改变了反应历程，降低了反应活化能，从而增加了活化分子总数，降低了反应活化能，从而增加了活化分子总数，显著提升了反应速率。显著提升了反应速率。比如：比如：反应反应A+BAB，M为催化剂，当无为催化剂，当无 催化剂时，反应按路径催化剂时，反应按路径进行，活化能为进行，活化能为Ea；当；当催化剂催化剂M参加反应时，反应按路径参加反应时，反应按路径分两步进分两步进行：行：A+MAMEa1AM+BAB+MEa2Ea1和和Ea2均小于均小于Ea，所以反应速率大大加紧，所以反应速率大大加紧催催 化化 作作 用用 机机 理理第27页第28页（1）催化剂含有催化剂含有选择性：选择性：不一样类型反应需要选择不一样催化剂不一样类型反应需要选择不一样催化剂 比如氨合成需用铁作催化剂比如氨合成需用铁作催化剂。对一样反应物，选择不一样催化剂，能够对一样反应物，选择不一样催化剂，能够得到不一样产物。比如选择不一样催化剂能够得到不一样产物。比如选择不一样催化剂能够使乙醇得到不一样化工原料。使乙醇得到不一样化工原料。C2H5OHCH3CHO+H2C2H5OHCH2=CH2+H2O2C2H5OHC2H5OC2H5+H2O催催化化剂剂特特性性第29页（2）催化剂只能加速催化剂只能加速热力学上可能自发进行热力学上可能自发进行反应反应，对于热力学计算不能自发进行反，对于热力学计算不能自发进行反应，使用任何催化剂都是徒劳。催化剂只应，使用任何催化剂都是徒劳。催化剂只能经过改变反应路径来改变反应速率，而不能经过改变反应路径来改变反应速率，而不能改变反应进行方向、程度能改变反应进行方向、程度。第30页 1.1.碰撞理论碰撞理论 有效碰撞有效碰撞(effectivecollision):能够发生化能够发生化 学反应碰撞。学反应碰撞。活化分子活化分子(activatedmolecule)：能进行有能进行有 效碰撞分子。效碰撞分子。1.4.5反应速率理论与活化能反应速率理论与活化能第31页碰撞理论认为碰撞理论认为:当反应物浓度增加时当反应物浓度增加时,活化分子数活化分子数 量增加，有效碰撞次数增加量增加，有效碰撞次数增加,反应速率加反应速率加紧。紧。当温度提升时，活化分子百分数增加，当温度提升时，活化分子百分数增加，有效碰撞次数增加有效碰撞次数增加,反应速率加紧。反应速率加紧。碰撞时，分子几何方位要有利于新键碰撞时，分子几何方位要有利于新键生成。生成。第32页2.活化配合物理论活化配合物理论活化配合物活化配合物(activated complex):发生反应发生反应时生成一个不稳定高能态中间化合物，也称过渡时生成一个不稳定高能态中间化合物，也称过渡态。态。活化能活化能 Ea(activated energy):活化配合物活化配合物最低能量与反应物平均能量之差。最低能量与反应物平均能量之差。正反应正反应活化能活化能 Ea：过渡态与始态能量差过渡态与始态能量差逆反应逆反应活化能活化能 Ea：过渡态与终态能量差过渡态与终态能量差第33页 如反应如反应:NO(g)CO(g)NO(g)CO(g)OCOOOON+C-O=NN-O+O-C-O反应物反应物活化配合物活化配合物生成物生成物第34页反应物反应物活化配合物活化配合物生成物生成物Ea（1）Ea（2）能量能量反应历程反应历程 rHm第35页图中：图中：Ea（1）为正反应为正反应活化能活化能 Ea（2）为逆反应为逆反应活化能活化能对普通化学反应，对普通化学反应，正反应焓变为：正反应焓变为：rHm=Ea（1）-Ea（2）当当Ea(1)Ea(2)时时 rHm 0 为放热反应；为放热反应；当当Ea(1)Ea(2)时时 rHm 0 为吸热反应。为吸热反应。第36页不一样反应类型过程中能量改变曲线不一样反应类型过程中能量改变曲线Ea(逆)(正)(正)Ea(逆)第37页总结：总结：(1)活化能大小可由活化能大小可由试验测定试验测定。活化能越。活化能越 小，化学反应速率就越大。小，化学反应速率就越大。(2)普通化学反应活化能在普通化学反应活化能在40400kJmol-1 范围，大多在范围，大多在60250kJmol-1之间。之间。(3)活化能活化能400kJmol-1反应速率就反应速率就 非常小。非常小。第38页化学反应化学反应活化能活化能Ea/kJmol-12HI=H2+I21832N2O=2N2+O22452NO2=2NO+O21122H2O2=2H2O+O275.3N2+3H2=2NH3175.73CH4+H2O=CO+3H294.98(NH4)2S2O8+3KI=(NH4)2SO4+K2SO4+KI352.72HCl+NaOH=NaCl+H2O12.5525.102SO2+O2=2SO3251.04第39页总之，影响化学反应主要原因总之，影响化学反应主要原因浓度浓度:影响分子总碰撞次数。影响分子总碰撞次数。温度温度:影响活化分子数目。影响活化分子数目。催化剂催化剂:降低反应活化能降低反应活化能。活化能是决定化学反应速率内在原因。活化能是决定化学反应速率内在原因。不一样反应含有不一样反应速率，根本原因不一样反应含有不一样反应速率，根本原因是活化能不一样。是活化能不一样。第40页1.多相反应多相反应在多相系统中，影响化学反应速率主要在多相系统中，影响化学反应速率主要原因除浓度，温度和催化剂外，还有：原因除浓度，温度和催化剂外，还有：接触面积接触面积:反应发生在相界面上，接触面反应发生在相界面上，接触面积越大反应速率越大。积越大反应速率越大。扩散速率扩散速率:分子自动从浓度大地方向浓度分子自动从浓度大地方向浓度小地方移动过程。小地方移动过程。1.4.6几个类型化学反应几个类型化学反应第41页2.链反应链反应 链反应链反应(chainreation):由元反应组合由元反应组合而成复杂反应而成复杂反应,一经引发一经引发,会以连锁方式连会以连锁方式连续不停地反应下去。续不停地反应下去。自由基自由基(freegroup):分子中共价键，受到分子中共价键，受到外界光、热或引发剂作用后，均裂而成含有不外界光、热或引发剂作用后，均裂而成含有不成对价电子原子或原子团。如：成对价电子原子或原子团。如：H、Cl、HO、CH3第42页链反应三个阶段：以链反应三个阶段：以H2+Cl2=2HCl反应为例反应为例 (1)链引发链引发(chaininitiation)Cl2+hvCl+Cl (2)链传递链传递(chaintransfer)Cl+H2HCl+HH+Cl2HCl+Cl (3)链终止链终止(chaintermination)Cl+ClCl2C2H5+C2H5C2H4+C2H6第43页3.光化学反应光化学反应光化学反应光化学反应(photochemicalreaction):因为因为吸收光量子而引发化学反应。如：吸收光量子而引发化学反应。如：NO2NO2*NO+O 6CO2+6H2OC6H12O6+6O2 能吸收光辐射并把光能传递给反应物，能吸收光辐射并把光能传递给反应物，使反应物反应，而本身在反应前后并不发生使反应物反应，而本身在反应前后并不发生改变，这种物质称感光剂或光敏剂。改变，这种物质称感光剂或光敏剂。hvhv叶绿素叶绿素第44页