第三章 化学反应速率
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第三章 化学反应速率和化学平衡习题3-1 什么是反应的速率常数?它的大小与浓度、温度、催化剂等因素有什么关系? 答:反应的速率大都可以表示为与反应物浓度方次的乘积成正比:υ=k ·c (A)·c (B),式中比例常数k 就是速率常数。
速率常数在数值上等于反应物浓度均为1 mol ·L -1时的反应速率。
k 的大小与反应物浓度无关,改变温度或使用催化剂会使速率常数k 的数值发生变化。
习题 3-2 什么是活化能?答:Arrhenius 总结了大量实验事实,提出一个经验公式:速率常数k 的对数与1/T 有线形关系:C TRE k a +⋅-=1ln 式中E a 就是活化能,它表示活化分子具有的最低能量与反应分子平均能量之差。
习题3-3 什么是催化剂?其特点有哪些?答:某些物质可以改变化学反应的速率,它们就是催化剂。
催化剂参与反应,改变反应历程,降低反应活化能。
催化剂不改变反应体系的热力学状态,使用催化剂同样影响正、逆反应的速率。
不影响化学平衡,只能缩短达到平衡的时间。
习题3-4 NOCl 分解反应为2NOCl →2NO+Cl 2实验测得NOCl 的浓度与时间的关系如下:t/s0 10 20 30 40 50 c (NOCl )/mol ·L -12.001.420.990.710.560.48求各时间段内反应的平均速率;用作图法求t =25s 时的瞬时速率。
解:t=0-10s 时,1042.100.2-=∆∆=t c υ= 0.058mol ·L -1·s -1t=10-20s 时,102099.042.1--=∆∆=t c υ= 0.043mol ·L -1·s -1 t=20-30s 时,203071.099.0--=∆∆=t c υ= 0.028mol ·L -1·s -1 t=30-40s 时,304056.071.0--=∆∆=t c υ= 0.015mol ·L -1·s -1 t=40-50s 时,405048.056.0--=∆∆=t c υ= 0.008mol ·L -1·s -1 作图法略。
第三章 化学反应速率和化学平衡活化能:①活化能大的反应,反应速率慢。
②升高温度,活化能大的反应速率增加的倍数,比活化能小的反应多。
温度升高10度,化学反应速率增加一倍,则反应的活化能为51kJ/mol 温度升高100度,化学反应速率常数增加十倍,则反应的活化能为23kJ/mol影响反应速率的因素:(1)浓度:反应速率方程表达式、反应级数、速率常数单位?解:如aA+bB=cC+dD ,对于基元反应,V=kC a (A )·C b (B )速率常数单位:V 的单位是mol/L ·S 代进去可求K 的单位 A 的反应级数是a ,B 的反应级数是b ,反应总级数是a+b 。
⚠️求反应速率方程时,不用求出k 值,只要求出a 、b 的值,并标明物质A 、B 即可。
知反应速率常数求反应级数?(看常数K 上L 的指数,+1就是级数)解:对于非基元反应,常数k 单位:(mol ·L -1)1-(x+y)•S -1零级反应mol ·L -1·S -1 ( 前0) 一级反应S -1 (前1)二级反应mol -1·L ·S -1 ( 前2) 三级反应mol -2·L 2·S -1 (前3)(2)温度:由题意温度升高,K Θp 增大,反应是吸热反应还是放热反应?解:温度升高,K Θp 增大,根据吕·查德里(Le ·Chatelier)原理,可以判知该反应为吸热反应。
由阿仑尼乌斯公式可以看出?(由公式看出,唯一能加快反应速率的是温度) 解:公式写作 k=Ae -Ea/RT (指数式)。
k 为速率常数,R 为摩尔气体常量,T 为热力学温度,Ea 为表观活化能,由实验数据求得,又叫实验活化能,A 为指前因子(也称频率因子)升高温度,速率常数k 增大;加入催化剂,速率常数k 增大;其余,k 均不变; 平衡常数:温度不变,平衡常数不变。
第三章化学反应速率3.1化学反应速率的表示方法不同的反应进行的快慢不一样。
如:快的反应:中和反应等;中等速率反应:氧化还原反应等;慢的反应:自然氧化等。
一、化学反应速率的定义指在一定条件下,化学反应中反应物转变为生成物的速率。
二、化学反应速率的表示方法单位时间内反应物或生成物浓度变化的正值(绝对值)。
例3-1:在CCl4中:2N2O5=4NO2+O2在一定的时间间隔:△t=t2-t1,△[N2O5]=[N2O5]2-[N2O5]1平均反应速率:(3-1)经过的时间s 时间的变化Δt(s)[N2O5]mol· L-1Δ[N2O5]mol· L-1v(N2O5)mol· L-1· s-10 0 2.10 ————100 100 1.95 -0.15 1.5×10-3300 200 1.70 -0.25 1.3×10-3700 400 1.31 -0.39 9.9×10-41000 300 1.08 -0.23 7.7×10-41700 700 0.76 -0.32 4.5×10-42100 400 0.56 -0.20 3.5×10-42800 700 0.37 -0.19 2.7×10-4从表中可以看出:反应进行了100秒时:V N2O5 = |(1.95-2.10)/(100-1)|= 1.5× 10-3mol· L-1· s -1V NO2 = |2× 0.15/100|= 3.0× 10-3mol· L-1· s -1V O2 = |0.15÷ 2/100|= 0.75× 10-3mol· L-1· s -1三种表示速率间关系:这种比例关系与反应的计量数有关。
∴表示反应速率时必须指明具体物质。
从表中可以看出,每个时间间隔,速率都不一样,而且在每个时间间隔里,任何时间内的速率都不一样。
从图中可以看出,某时刻的速率即该时刻切线的斜率:(3-4)该速率即为该时刻的瞬时速率(真正速率):指某给定瞬间的反应速率。
化学反应速率的两种表示方法: (1)以不同物质的浓度变化表示,实际中常用,分别叫做反应物的消耗速率及产物的生成速率。
(见式3-4)。
(2)以反应进度随时间的变化率来表示(符号为•ξ):•ξ=dt d ξ;ξd =B B dn ν;故 •ξ=dt dn B B ν (3-7) 在恒容、均相反应情况下,以浓度变化表示的反应速率(单位体积内反应进度随时间的变化率)则为:υ=V •ξ=dt d V ξ⋅1=dt dn V B B ν⋅1=dt dc BB ν (3-8)3.2 反应速率理论概要一、反应速率的有效碰撞理论1918年,路易斯(W.C.M.Lewis )提出反应速率的碰撞理论,认为参加化学反应的物质的分子、原子或离子要发生反应的必要条件是这些分子、原子或离子要相互碰撞。
反应物分子碰撞的频率越高,反应速率越快。
例:2HI (g )= H 2(g )+I 2(g ) 773K ,[HI]= 3-10mol·L -1理论计算,HI 分子间碰撞次数:3.5×108次·L -1·S -1 如每次碰撞都发生反应, V = 5.8×104mol·L -1·S -1 但实验测出: V = 1.2×10-8mol·L -1·S -1∴大多数分子间的碰撞都是无效的,不能引起化学反应,只有少数碰撞是有效的。
1、有效碰撞和活化分子的概念 ①什么叫有效碰撞?能发生化学反应的碰撞称为有效碰撞。
②什么样的分子有资格参加有效碰撞?一部分能量较高,具有适当取向的分子。
(活化分子)例3-2:2AB(g)= A2(g)+B2(g)A B不能发生化学反应 A A能发生化学反应B A B B ∴一定取向AB和AB之间相互靠近,到一定距离时,相互之间又有排斥力,∴须分子的运动速率足够大,有足够的动能才能相互碰撞;而且分子还须有足够的能量,碰撞时原子的外电子层才能相互穿透,电子重新排列,旧键破裂形成新键。
∴反应分子必须有足够的能量。
2、分子的能量分布(P28 图3-1)E平均为该温度下分子的平均能量。
具有E临界以上能量的分子称为活化分子,能量高于E临界的分子碰撞才能发生反应。
活化分子进行一定取向的碰撞,叫有效碰撞。
E临界-E平均之差为活化能E a。
活化能:1mol具有平均能量的分子变成活分子需吸收的最低能量。
不同的反应有不同的活化能。
活化能越低,反应速度越快。
反应Ea(KJ·mol-1)无催化剂有催化剂2232N2O → 2N2 + O2245 (Pt)136同一化学反应,由于催化剂的使用,活化能相差很大,这些现象引起人们对反应实际进行途径的研究。
二、过渡状态理论简介(活化配合物理论)1935年,艾林(H. Eyrimg)在碰撞理论的基础上提出的。
例:CO + NO2 =CO2 + NOA + BC =AB + C(P29图3-2)A…B…C:(过渡态)旧键部分破坏,新键部分生成动能→势能→动能反应分子与生成物分子之间存在着一个能峰Eˊ(过渡态的能量),反应物分子所具有的能量必须越过这个能峰才能进行反应。
Eˊ越小,反应速率越快,反之则然。
活化能:过渡态所具有的最低能量与反应能量之差。
催化反应:降低了反应的活化能。
3.3影响化学反应速率的主要因素首先是反应物的本性和反应历程,其次是浓度、温度、催化剂等外界条件。
一、浓度对反应速率的影响1、反应机理(反应历程)指反应实际进行的途径,根据反应机理,将化学反应分为:①基元反应由反应物的活化分子之间的碰撞,一步就可以完成的反应称为基元反应。
例:2NO2(g)→ 2NO(g)+O2(g)SO2Cl2(g)→ SO2(g)+ Cl2(g)NO2(g)+ CO(g)→ NO(g)+ CO2(g)一般讨论基元反应。
②非基元反应2H2(g)+2NO(g)→ N2(g)+ 2H2O(g)由两个基元反应组成:第一步:2NO + H2 = N2 + H2O2第二步:H2 + H2O2 = 2H2O2、质量作用定律大量实验事实表明:对于基元反应,反应速率与反应物浓度幂(以反应物的计量系数为方次)的乘积成正比。
这就是质量作用定律。
对基元反应来说:aA + b B → 产物溶液:V ∝ [A]a[B]b V = k[A]a[B]b气体:V ∝ P A a P B b V = kP A a P B bk:反应速率常数在浓度或分压相同的情况下,k值越大,反应速率越快。
对于指定反应,k与温度、催化剂有关,而与浓度无关。
3、反应级数为了叙述反应物浓度对反应速率的影响,将速率方程式中反应物浓度的指数之和称为反应级数。
基元反应:aA + bB → 产物V = k[A]a[B]b a + b = 反应级数(n)如:CO(g)+ NO2(g)= CO2(g)+ NO(g)V = k[CO][ NO2]∴总反应级数:二级反应,对CO或NO2来说为一级反应。
注意:对于非基元反应,其反应级数及速率方程必须由实验确定。
例:2H2 + 2NO = N2 + 2H2O 测得V = k[H2][NO] 2∴总反应级数:三级,对H 2来说一级,对NO 来说二级。
测得速率方程就可推算反应级数,而不能根据化学计量式来讨论反应级数。
例3-3:25℃ (NH 4)2S 2O 8 + 2KI = K 2SO 4 + I 2 +(NH 4)2SO 42--2-11.0×10 1.0×100.65×102 2.0×10-4 1.0×10-2 1.30×10-6 32.0×10-40.5×10-20.65×10-6①写出上述反应的速率方程,反应级数? ②计算k解: V ∝ [S 2O 82-][I -] ∴V = k[S 2O 82-][I -]a = 1b = 1 ∴反应级数 = 1+1 =2 k 1 = V/([S 2O 82-][I -]) = …… = 0.65 L·mol -1·min -1 k 2 = …… = 0.65 L·mol -1·min -1 = k 3 即:k = 0.65 L·mol -1·min -1当T 一定,不加催化剂时,k 一定,与浓度无关。
4、有效碰撞理论对浓度影响的解释增加浓度,单位体积内的活化分子总数增加,有效碰撞次数增加,反应速度加快。
二、 温度对反应速率的影响(特别显著)如:米 + 水 -→ 饭 用高压锅快,∵高压锅内沸腾的温度比常压下高10℃左右。
对大多数化学反应来说,温度↑,反应速率加快。
1、反应速率的温度系数 r反应物浓度恒定时,根据实验结果,对大部分化学反应,温度每升高10℃,反应速率大约增加2~4倍。
r = k t+10℃/k t =2~4反应的速率常数与热力学温度成指数关系――阿累尼乌斯方程:RTE a Aek /-=(3-11)A RTE k alg 303.2lg +-=(3-13))(303.2lg )11(303.2lg1212121212T T T T R E k k 即T T R E k k a a -=--=(3-14) 利用上式可以计算活化能(E a )及速率常数(k )。
例题见书P33页。
2、有效碰撞理论对温度影响的解释升高温度,活化分子总数和百分数都增加。
如图1。
图1三、催化剂对反应速率的影响1、催化剂(触媒)能改变反应历程,降低反应的活化能,从而提高反应速率,但本身的组成、质量、化学性质在反应前后不发生变化。
用过渡状态理论来解释:降低反应活化能,使活化分子总数和百分数都增大。
如图2(P35)。
图22、催化剂具有选择性①一种催化剂往往只对某一特定的反应有催化作用;②同一反应物如采用不同的催化剂,会得到不同产物。
注意:①催化剂不能长期使用下去;如固体催化剂,长期受热导致晶格变化,晶体分散度变化;反应物结焦使催化剂表面被覆盖等,使催化剂失效。
②催化剂中毒,(杂质)。
四、影响多相体系反应速率的因素除上述几点外,还与反应物接触面大小、接触机会和扩散速率等有关。
用使固体粉碎(s-s或s-l),搅拌(l-l或s-l),鼓风(s-g)等方法。