物理化学电子教案十章.ppt

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1、2023/8/20,物理化学电子教案第十章,2023/8/20,8.1 化学动力学的任务和目的,第十章 化学动力学基础(一),8.2 基本概念,8.3 具有简单级数的反应,8.4 温度对反应速率的影响,8.5 复合反应,8.6催化剂,2023/8/20,10.1 化学动力学的任务和目的,化学热力学的研究对象和局限性,化学动力学的研究对象,化学动力学发展简史,2023/8/20,10.1 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

2、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,2023/8/20,10.1 化学动力学的任务和目的,化学动力学研究化学反应的速率和反应的机理以及温度、压力、催化剂、溶剂和光照等外界因素对反应速率的影响，把热力学的反应可能性变为现实性。,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,2023/8/20,10.1 化学动力学的任务和目的,1848年 vant Hoff 提出：,1891年 Arrhenius,设 为与T无关的常数,1935年 Eyring等提出过渡态理论,1960年 交叉分子束反应，李远哲等人1986年获诺贝尔化学奖

3、,化学动力学发展简史,2023/8/20,10.2 化学反应速率表示法,化学反应速率,基元反应,反应级数,速率常数,反应分子数,2023/8/20,化学反应速率,对某化学反应的计量方程为：,转化速率的定义为：,已知,2023/8/20,反应速率（rate of reaction）,通常的反应速率都是指定容反应速率，它的定义为：,对任何反应：,2023/8/20,速率方程(rate equation of chemical reaction),速率方程又称动力学方程。它表明了反应速率与浓度等参数之间的关系或浓度等参数与时间的关系。速率方程可表示为微分式或积分式。,例如：,2023/8/20,基元

4、反应（elementary reaction）,基元反应简称元反应，如果一个化学反应，反应物分子在碰撞中相互作用直接转化为生成物分子，这种反应称为基元反应。,例如：,2023/8/20,基元反应,由反应物一步变化直接得到生成物的反应称为基元反应。由若干基元反应组成的反应为复合反应或复杂反应。,对于基元反应,速率方程为,2023/8/20,质量作用定律（law of mass action）,对于基元反应，反应速率与反应物浓度的幂乘积成正比。幂指数就是基元反应方程中各反应物的系数。这就是质量作用定律，它只适用于基元反应。,例如：基元反应 反应速率r,2023/8/20,总包反应（overall

5、reaction）,我们通常所写的化学方程式只代表反应的化学计量式，而并不代表反应的真正历程。如果一个化学计量式代表了若干个基元反应的总结果，那这种反应称为总包反应或总反应。,例如，下列反应为总包反应：,2023/8/20,反应机理（reaction mechanism）,反应机理又称为反应历程。在总反应中，连续或同时发生的所有基元反应称为反应机理，在有些情况下，反应机理还要给出所经历的每一步的立体化学结构图。,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。,2023/8/20,反应分子数(molecularity of reaction)

6、,在基元反应中，实际参加反应的分子数目称为反应分子数。反应分子数可区分为单分子反应、双分子反应和三分子反应，四分子反应目前尚未发现。反应分子数只可能是简单的正整数1，2或3。,2023/8/20,反应级数（order of reaction）,速率方程中各反应物浓度项上的指数称为该反应物的级数；,所有浓度项指数的代数和称为该反应的总级数，通常用n 表示。n 的大小表明浓度对反应速率影响的大小。,反应级数可以是正数、负数、整数、分数或零，有的反应无法用简单的数字来表示级数。,反应级数是由实验测定的。,2023/8/20,反应级数,反应级数是反应速率方程中反应物的物质的量浓度项指数的加和。它的大小

7、表示反应物的物质的量浓度对反应速率影响的程度，级数越高，表明浓度对反应速率影响越强烈。当n=1时称为一级反应，n=2时称为二级反应，以此类推。反应级数一般是通过动力学实验确定的，反应级数可以是正数或负数；可以是整数或分数；也可以是零。,2023/8/20,反应级数（order of reaction）,例如：,2023/8/20,反应的速率系数（rate coefficient of reaction）,速率方程中 的比例系数 k 称为反应的速率系数，以前称为速率常数，现改为速率系数更确切。,它的物理意义是当反应物的浓度均为单位浓度时 k 等于反应速率，因此它的数值与反应物的浓度无关。在催化剂

8、等其它条件确定时，k 的数值仅是温度的函数。,k 的单位随着反应级数的不同而不同。,2023/8/20,练习题,2023/8/20,10.4 具有简单级数的反应,一级反应,二级反应,2023/8/20,一级反应（first order reaction）,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。,2023/8/20,一级反应的微分速率方程,或,反应：,2023/8/20,一级反应的微分速率方程,2023/8/20,一级反应的积分速率方程,定积分式,反应物消耗一半所需的时间称为半衰期，用,表示。,2023/8/20,

9、一级反应的特点,1.速率系数 k 的单位为时间的负一次方，时间 t可以是秒(s)，分(min)，小时(h)，天(d)和年(a)等,2.半衰期(half-life time)是一个与反应物起始浓度无关的常数，。,3.与 t 呈线性关系。,(1)所有分数衰期都是与起始物浓度无关的常数。,引伸的特点,(2),2023/8/20,一级反应的例子,题目：某金属钚的同位素进行放射，14d后，同位素活性下降了6.85%。试求该同位素的：(1)蜕变常数，(2)半衰期，(3)分解掉90%所需时间。,解：,2023/8/20,练习题,2023/8/20,二级反应(second order reaction),反应

10、速率方程中，浓度项的指数和等于2 的反应称为二级反应。常见的二级反应有乙烯、丙烯的二聚作用，乙酸乙酯的皂化，碘化氢的热分解反应等。,例如，有基元反应：,2023/8/20,二级反应的速率方程,differential rate equation of second order reaction,2023/8/20,二级反应的积分速率方程,integral rate equation of second order reaction,不定积分式：,（1）,2023/8/20,二级反应的积分速率方程,不定积分式：,2023/8/20,二级反应（a=b）的特点,3.与 t 成线性关系。,1.速率系数

11、 k 的单位为浓度-1 时间-1,2.半衰期与起始物浓度成反比,引伸的特点：对 的二级反应，=1：3：7。,2023/8/20,练习题,2023/8/20,8.3 温度对反应速率的影响,温度对反应速率影响的类型,阿仑尼乌斯公式,活化能,2023/8/20,温度对反应速率影响的类型,通常有五种类型：,（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。,2023/8/20,温度对反应速率影响的类型,（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。

12、,（4）速率在随温度升到某一高度时下降，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。,2023/8/20,范霍夫（vant Hoff)近似规律,范霍夫根据大量的实验数据总结出一条经验规律：温度每升高10 K，反应速率近似增加24倍。这个经验规律可以用来估计温度对反应速率的影响。,例如：某反应在390 K时进行需10 min。若降温到290 K，达到相同的程度，需时多少？,解：取每升高10 K，速率增加的下限为2倍。,2023/8/20,阿仑尼乌斯公式,（1）指数式：,描述了速率随温度而变化的指数关系。A称为指前因子，称为

13、阿仑尼乌斯活化能，阿仑尼乌斯认为A和 都是与温度无关的常数。,（2）对数式：,描述了速率系数与 1/T 之间的线性关系。可以根据不同温度下测定的 k 值，以 lnk 对 1/T 作图，从而求出活化能。,2023/8/20,阿仑尼乌斯公式,（3）定积分式,设活化能与温度无关，根据两个不同温度下的 k 值求活化能。,（4）微分式,k 值随T 的变化率决定于 值的大小。,2023/8/20,活化能,Tolman 用统计平均的概念对基元反应的活化能下了一个定义：活化分子的平均能量与反应物分子平均能量之差值，称为活化能。,正、逆反应的活化能 和 可以用图表示。,2023/8/20,基元反应的活化能,20

14、23/8/20,基元反应的活化能,2023/8/20,例题,2023/8/20,例题,2023/8/20,例题,2023/8/20,例题,计算结果为T=697K,2023/8/20,10.5 几种典型的复杂反应,2023/8/20,对峙反应(Opposing Reaction),在正、逆两个方向同时进行的反应称为对峙反应，俗称可逆反应。正、逆反应可以为相同级数，也可以为具有不同级数的反应；可以是基元反应，也可以是非基元反应。例如：,2023/8/20,对峙反应的微分式,对峙反应的净速率等于正向速率减去逆向速率，当达到平衡时，净速率为零。,为简单起见，考虑1-1级对峙反应,t=0 a 0t=t

15、a-x xt=te a-xe xe,2023/8/20,对峙反应的积分式,测定了t 时刻的产物浓度x，已知a和xe，而，平衡常数可用热力学方法求出，这样就可分别求出k1和k-1。,2023/8/20,平行反应(Parallel or Side Reaction),相同反应物同时进行若干个不同的反应称为平行反应。,平行反应的级数可以相同，也可以不同，前者数学处理较为简单。,这种情况在有机反应中较多，通常将生成期望产物的一个反应称为主反应，其余为副反应。,总的反应速率等于所有平行反应速率之和。,2023/8/20,两个一级平行反应的微、积分公式,AB Ct=0 a 0 0t=ta-x1-x2 x1

16、 x2,2023/8/20,连续反应(Consecutive Reaction),有很多化学反应是经过连续几步才完成的，前一步生成物中的一部分或全部作为下一步反应的部分或全部反应物，依次连续进行，这种反应称为连续反应或连串反应。,连续反应的数学处理极为复杂，我们只考虑最简单的由两个单向一级反应组成的连续反应。,2023/8/20,连续反应的微、积分式,2023/8/20,连续反应的微、积分式,2023/8/20,连续反应的ct关系图,2023/8/20,练习,设一总包反应：ABY 若其机理为,（b）,式中，k1,k2,k-1,为元反应的反应速率系数，叫反应速率常数。根据质量作用定律，写出速率方程,2023/8/20,练习,设一总包反应：ABY 若其机理为,（b）,速率方程,2023/8/20,2023/8/20,