化学反应动力学 课件.ppt
《化学反应动力学 课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化学反应动力学 课件.ppt(118页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、1,化学反应动力学,2,在我们的周围,乃至整个宇宙,时刻发生着无数的化学反应,有的缓慢,如生命的演化过程中甲烷的生成;有的很快可瞬时完成,如离子反应、爆炸反应等。在化工生产中,人们希望有的反应尽可能快些,而在有些场合人们希望反应尽可能慢些,如铁的生锈、食物的腐烂、塑料的老化。关于反应速率的研究就十分重要。那么反应速率如何表示,影响反应速率的主要因素是什么?如何控制反应速率?化学反应的机理如何?这些问题都是化学动力学主要研究的问题。,3,8.0 化学动力学的任务和目的,研究化学变化的方向、能达到的最大限度以及外界条件对平衡的影响。化学热力学只能预测反应的可能性,但无法预料反应能否发生?反应的速率
2、如何?反应的机理如何?例如:,热力学只能判断这两个反应都能发生,但如何使它发生,热力学无法回答。,化学热力学的研究对象和局限性,计算表明:283 K时,要生成0.15 %的水需长达10.60亿年的时间。但如果将温度升至1073 K(800 )时,该反应以爆炸的方式瞬时完成,4,化学动力学的研究对象,例如:,动力学认为:,需一定的T,p和催化剂,点火,加温或催化剂,(i) 研究各种因素,包括浓度、温度、催化剂、溶剂、光照等对反应速率影响的规律; (ii) 研究一个化学反应过程经历哪些具体步骤,即所谓反应机理(或反应历程)。,把热力学的反应可能性变为现实性,5,8.1 化学动力学的基本概念,1反应
3、速率的定义,6,对于非依时计量学反应,反应进度 定义为,(1)转化速率:单位时间内发生的反应进度,单位:,特点:与反应组分 B的选取无关,但与计量式写法有关; 广度量。,7,(2)反应速率:,单位:,特点:与反应组分 B 的选取无关,但与计量式写法有关; 强度量。,恒容反应 (V 为常数):,在本章余下的讨论中,如无特别说明,均假定反应在恒容条件下进行。,8,反应物 的消耗速率,产物的生成速率,A 的消耗速率:,基于某种物质的摩尔数变化,恒容条件下:,注意,反应速率总为大于或等于零的值。,Z 的生成速率:,9,反应物 的消耗速率,产物的生成速率与反应速率间的关系:,10,对于恒温、恒容气相反应
4、,v 和 vB 也可以分压为基础用相似的方式来定义:,以及,同样有,由于 、 ,故,11,2反应速率的测定,(1)测定不同时刻各物质浓度的方法有:,要确定一个反应的速率方程,需要监测不同反应时刻反应物或生成物的浓度。这就需要能够检测反应系统中存在的组分及其含量。,化学法,12,物理方法,用各种方法测定与浓度有关的物理性质(旋光、折射率、电导率、电动势、界电常数、黏度和进行比色等),或用现代谱仪(IR, UV-VIS, ESR, NMR, ESCA等)监测与浓度有定量关系的物理量的变化,从而求得浓度变化。,物理方法有可能做原位反应。,测定反应的初速率,这时干扰少,对研究反应动力学很有用,对于一些
5、快速反应,要用特殊的测试方法,13,瞬时速率,反应物和产物的浓度随时间的变化,(2)绘制动力学曲线,14,分子水平上的反应作用称为基元反应(或基元过程)。,例如气相反应 ,包含下列简单反应步骤:,每个步骤均为一基元反应,总反应为非基元反应。,反应机理 所谓一个反应的反应机理(或反应历程)一般是指该反应进行过程中所涉及的所有基元反应。,3. 基元反应和非基元反应,同一反应在不同的条件下,可有不同的反应机理。了解反应机理可以掌握反应的内在规律,从而更好的驾驭反应。,15,注意:, 反应机理中各基元反应的代数和应等于总的计量方程,这是判断一个机理是否正确的先决条件。, 化学反应方程,除非特别注明,一
6、般都属于化学计量方程,而不代表基元反应。,16,反应分子数 基元反应方程式中各反应物分子个数之和。,基元反应按反应分子数分类:,四个分子同时碰撞在一起的机会极少,所以还没有发现有大于三个分子的基元反应。,17,4. 基元反应的速率方程质量作用定律,单分子反应,双分子反应,三分子反应,质量作用定律基元反应的反应速率与该反应的反应物浓度幂乘积成正比。其中各浓度的方次为反应方程中相应组分的分子个数。,18,对于基元反应,其速率方程,反应速率常数, 温度一定,反应速率常数为一定值,与浓度无关。, 基元反应的速率常数 是该反应的特征基本物理量,该量是可传递的,即其值可用于任何包含该基元反应的气相反应。,
7、注意:,19,质量作用定律只适用于基元反应。对于非基元反应,只能对其反应机理中的每一个基元反应应用质量作用定律。,例如,化学计量反应,20,5化学反应速率方程的一般形式,反应级数,不同于基元反应,计量反应的速率方程不能由质量作用定律给出,而必须由实验确定。其表达式可采取任何形式。,常见速率方程形式:,反应级数:,反应速率常数 k 的单位:,反应级数,21,例如:,22,注意:, 对非基元反应不能应用反应分子数概念;反应级数只能通过实验确定。, 反应分级数(级数)一般为零、整数或半整数(正或负)。, 对于速率方程不满足上面一般形式的反应,不能应用级数的概念。,例如,对反应,速率方程为,不能应用级
8、数概念。,23, 某些反应,当反应物之一的浓度很大,在反应过程中其浓度基本不变,则表现出的级数将有所改变。,例如水溶液中酸催化蔗糖 (S) 水解成葡萄糖和果糖的反应:,为二级反应: ,但当蔗糖浓度很小,水的浓度很大而基本上不变时,有,于是表现为一级反应,这种情况称为假一级反应。,24,反应速率常数,反应速率常数,用反应进度表达的速率方程为,用消耗速率或生成速率表达的速率方程为,25,反应速率常数 k 与生成速率常数 kA 和消耗速率常数 kZ间的关系:,如无特别注明,k 表示反应的速率常数。,26,6用气体组分的分压表示的速率方程,以反应 为例,对于有气体组分参加的 的化学反应,在恒温、恒容下
9、,随着反应的进行,系统的总压必随之而变。这时只要测定系统在不同时间的总压,即可得知反应的进程。,设 A 的消耗速率方程为,由于 ,因此,27, 和 均可用于表示气相反应的速率。, 无论用 cA 或用 pA 随时间变化来表示 A 的消耗速率 ,反应级数不变。, kA 和 kp,A 存在以上关系。当 n = 1时,两者相同。,28,只考虑速率方程具有 形式的情况。,1零级反应,反应:,速率方程:,单位:,积分:,8.2 具有简单级数的反应的特点,反应速率与反应物A浓度的零次方成正比的反应。,29,直线关系:,半衰期 反应物反应掉一半所需要的时间。,零级反应的半衰期正比于反应物的初始浓度。,30,(
10、3)半衰期与初始浓度成正比,与速率常数成反比,零级反应的动力学特征:,(1)以反应物浓度 对时间t作图是一条直线,表明速率与浓度无关,直线的斜率为,(2) 具有浓度 时间1的量纲,31,2. 一级反应,反应速率只与反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应。,常见的一级反应有放射性元素的蜕变、分子重排、五氧化二氮的分解等。,32,反应:,速率方程:,某一时刻反应物 A 反应掉的分数称为该时刻 A 的转化率:,一级反应速率方程积分的另一种形式:,33,半衰期,一级反应的半衰期与反应物的初始浓度无关。,线性关系:,34,(3)半衰期与速率常数成反比,与初始浓度无关。,一级反应的动力学特征:,(1)
11、以 对时间 t 作图是一条直线,直线的斜率为,(2) 具有时间1的量纲,与浓度单位无关,35,3二级反应,二级反应最常见的速率方程的形式为,及,(1) 一种反应物的情形,速率方程,积分式,k 的单位:,36,用转化率表示的积分式:,半衰期:,二级反应的半衰期与反应物的初始浓度成反比。,(2) 两种反应物的情形:,速率方程,37,积分结果同 (1)。,上述做法具有一般性:对反应计量方程,如果其速率方程具有形式,38,在任何时刻 A 和 B 的消耗量与它们的计量系数成正比:,39,对上式积分,令 cX = cA,0 cA,即cX为在时刻 t 反应物 A 消耗的浓度,则上式可表示为:,40,4n 级
12、反应,在n(n1)级反应的诸多形式中,只考虑最简单的情况:, 一种反应物的情况;, 多种反应物,但反应物的初始浓度与其计量系数成正比。,41,直接积分,得:,k 的单位:,即半衰期与 成反比。,42,(3)半衰期,n 级反应的动力学特征:,(1)以 对时间 t 作图是一条直线,(2) 具有浓度1n 时间1的量纲,43,反应速率方程及特征小结,级数,动力学特征,k 的单位,直线关系,t 1/2,0,1,2,n,44,5. 速率方程的确定,只讨论速率方程为,的情况,对于一般情况,可通过将反应物按计量系数比进行实验、采用初始速率法及隔离法等将其化为最简单的形式。,确定速率方程就是要确定反应级数 n,
13、及反应速率常数 k。,45,1. 尝试法,尝试法(或试差法)利用各级反应速率方程积分形式的线性关系来确定反应的级数。,当实验测得了一系列cA t 或 x t 的动力学数据后,作以下两种尝试:,(1) 将各组 cA, t 值代入具有简单级数反应的速率定积分式中,计算 k 值。,若得 k 值基本为常数,则反应为所代入方程的级数。若求得 k 不为常数,则需再进行假设。,46,(2) 分别用下列方式作图:,积分法适用于具有简单级数的反应。,如果所得图为一直线,则反应为相应的级数。,零级反应,二级反应,一级反应,三级反应,47,48,容易看出, 与时间 t 成很好的直线关系,因此该反应为二级反应,速率方
14、程为:,由直线的斜率得出,注意:要成功应用尝试法确定反应的速率方程,反应至少要进行60%。,49,因此,通过对实验数据 线性拟合,直线的斜率即为 1 n。,只有两个数据时,要得到 数据并不需要通过改变初始浓度重复进行多次实验,只需要进行一次动力学实验,在所得的 图上即可方便地得到一系列的,2. 半衰期法,n( n1 )级反应的半衰期为:,50,仍以 1, 3 丁二烯二聚反应为例。,51,回归直线的斜率为 -1.10,因此反应级数为 。,52,3. 微分法,微分法要作三次图,引入的误差较大,但可适用于非整数级数反应。,根据实验数据,作cAt 的动力学曲线,具体作法:,在不同时刻 t ,求,以 对
15、lncA作图,53,nt 相对于时间的反应级数,lgA),54,初速率法(可排除产物对反应速率的干扰)nC 相对于浓度的反应级数,55,反应速率与温度关系的几种类型,通常有如下几种类型:,这是一个在全温度范围内的图形,在常温的有限温度区间中进行,所得的曲线由图(b)来表示,8.3 温度对反应速率的影响,活化能,56,(1)反应速率随温度的升高而逐渐加快,它们之间呈指数关系,这类反应最为常见。,(2)开始时温度影响不大,到达一定极限时,反应以爆炸的形式极快的进行。,(3)在温度不太高时,速率随温度的升高而加快,到达一定的温度,速率反而下降。如多相催化反应和酶催化反应。,57,(4)速率在随温度升
16、到某一高度时下降,再升高温度,速率又迅速增加,可能发生了副反应。,(5) 温度升高,速率反而下降。这种类型很少,如一氧化氮氧化成二氧化氮。,58,反应速率常数是温度的函数 k(T),经验上,即反应温度每升高 10 K,反应速率常数升高至2 到 4 倍。,1. vant Hoff 近似规则,这个经验规律可以用来估计温度对反应速率的影响。,范特霍夫规则,59,A指前因子,Arrhenius 研究了许多气相反应的速率,特别是对蔗糖在水溶液中的转化反应做了大量的研究工作。他提出了活化能的概念,并揭示了反应的速率常数与温度的依赖关系:,积分形式,微分形式,指数形式,2阿伦尼乌斯方程,EaArrheniu
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化学反应动力学 课件 化学反应 动力学

链接地址:https://www.31ppt.com/p-1623591.html