物理化学动力学全解

第十二章 化学动力学基础 （二）本章知识要点与公式1. 碰撞理论双分子碰撞频率 ：2AB AB A B Z pd L c = 22AA AA A 2Z d L π= 临界能c E 与活化能a E 的关系：12a c E E RT =+ 用简单碰撞理论计算双 分子反应的速率常数：2AB aEk d RT π⎛⎫=- ⎪⎝⎭ 2AA 2a E k d RT π⎛⎫=- ⎪⎝⎭ 概率子Pexp a E k PA RT ⎛⎫=- ⎪⎝⎭2ABA d π= A P A =n n n n 2. 过渡态理论用统计热力学方法计算速率常数：,0B B B exp E k T f k h f RT π≠⎛⎫=- ⎪⎝⎭用热力学方法计算速率常数：()0010B r m r m exp exp nk T S H k c h R RT ≠≠-⎛⎫⎛⎫∆∆=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭对于双分子理想气体反应：1n000B r m r m exp exp k T S H P k h RT R RT -≠≠⎛⎫⎛⎫⎛⎫∆∆=- ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭3.原盐效应稀溶液中，离子强度对反应速率的影响： A B 0lg2kz z k = A z 与B z 同号，产生正的原盐效应，I ↑ k ↑；A z 与B z 昇号，产生负的原盐效应，I k ↑↓。

4. 光化学反应光化学第一定律：只有被分子吸收的光才能引起分子的光化学反应。

光化学第二定律：在初级反应中， 一个反应分子吸收一个光子而被活化。

1 mol 光子能量（1 Einstein ） 101197J m mol Lhcu Lh νλλ-.===⋅⋅量子产率 ar I ϕ=5. 催化反应催化剂通过改变反应历程，改变反应的表观活化能来改变反应速率，只能缩短达到平蘅的时间，而不能改变平蘅的组成。

酶催化反应历程（ Michaelis – Menten 机理）米氏常数12m 1k kK k -+=当[]S →∞ 时 []m m m111S K r r r =⋅+将1r对[]1S 作图，可求m K 和m r .典型俐题讲解例 1 500K 时，实验测得 NO 2 分解反应的提前因子为 61312.0010mol m s --⨯⋅⋅，碰撞截面为1921.0010m -⨯，试计算该反应的概率因子 P解 ：2AA2A d π=c 2σ= ()()19223-12 1.0010m 602310mol-=⨯⨯⨯.⨯7-13133710mol m s -=.⨯⋅⋅61371320010mol m s 33710mol m s A P A --1∞--1∞.⨯⋅⋅==.⨯⋅⋅ 例 2 实验测得 N 2O 5 分解反应在不同温度时的反应速率常数，数据列于表中。

热力学第一定律功：δW ＝δW e ＋δW f（1）体积功 δW e ＝-p 外dV 体积功为正，压缩功为负。

（2）非体积功δW f ＝xdy非体积功为广义力乘以广义位移。

如δW （机械功）＝fdL ，δW （电功）＝EdQ ，δW （表面功）＝rdA 。

热 Q ：体系吸热为正，放热为负。

热力学第一定律： △U ＝Q+W 焓 H ＝U ＋pV 理想气体的内能和焓只是温度的单值函数。

热容 C ＝δQ/dT（1）等压热容：C p ＝δQ p /dT ＝ （∂H/∂T)p （2）等容热容：C v ＝δQ v /dT ＝ （∂U/∂T)v 常温下单原子分子：C v ，m ＝C v ，m t ＝3R/2常温下双原子分子：C v ，m ＝C v ，m t ＋C v ，m r ＝5R/2 等压热容与等容热容之差：（1）任意体系 C p —C v ＝[p ＋（∂U/∂V ）T ]（∂V/∂T ）p （2）理想气体 C p —C v ＝nR 理想气体绝热可逆过程方程：pV γ＝常数 TV γ-1＝常数 p 1-γT γ＝常数 γ＝C p / C v 理想气体绝热功：W ＝C v （T 1—T 2）＝11－γ（p 1V 1—p 2V 2） 理想气体多方可逆过程：W ＝1nR－δ（T 1—T 2） 热机效率：η＝212T T T － 冷冻系数：β＝－Q 1/W 可逆制冷机冷冻系数：β＝121T T T －焦汤系数： μJ －T ＝H p T ⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂＝－()pT C p H ∂∂ 实际气体的ΔH 和ΔU ：ΔU ＝dT T U V ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂＋dV V U T ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ ΔH ＝dT T H P ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂＋dp p H T ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ 化学反应的等压热效应与等容热效应的关系：Q p ＝Q V ＋ΔnRT 当反应进度 ξ＝1mol 时， Δr H m ＝Δr U m ＋∑BB γRT化学反应热效应与温度的关系：()()()dT B C T H T H 21T T m p B1m r 2m r ⎰∑∆∆，＋＝γ热力学第二定律Clausius 不等式：0TQS BAB A ≥∆∑→δ—熵函数的定义：dS ＝δQ R /T Boltzman 熵定理：S ＝kln Ω Helmbolz 自由能定义：F ＝U —TS Gibbs 自由能定义：G ＝H －TS 热力学基本公式：（1）组成恒定、不作非膨胀功的封闭体系的热力学基本方程：dU ＝TdS －pdV dH ＝TdS ＋Vdp dF ＝－SdT －pdV dG ＝－SdT ＋Vdp （2）Maxwell 关系：T V S ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂＝VT p ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂Tp S ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂＝－p T V ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ （3）热容与T 、S 、p 、V 的关系：C V ＝T VT S ⎪⎭⎫⎝⎛∂∂ C p ＝T p T S ⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂Gibbs 自由能与温度的关系：Gibbs －Helmholtz 公式 ()pT /G ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∆∂T ＝－2T H ∆ 单组分体系的两相平衡： （1）Clapeyron 方程式：dT dp＝mX m X V T H ∆∆ 式中x 代表vap ，fus ，sub 。

化学动力学的物理化学解释化学动力学是研究化学反应速率和反应机理的学科，它是物理化学的一个重要分支。

化学反应速率是指单位时间内反应物消耗量的变化率，它受到多种因素的影响，如反应物浓度、温度、催化剂等。

化学动力学的物理化学解释可以从反应速率常数、反应物浓度和反应机理三个方面来阐述。

一、反应速率常数反应速率常数是化学反应速率与反应物浓度的函数关系，它是描述反应速率的重要参数。

反应速率常数与反应物浓度的关系可以用速率方程来表示。

速率方程是指反应速率与反应物浓度之间的函数关系式，它可以用实验数据来确定。

例如，对于一级反应，速率方程可以表示为：r = k[A]其中，r是反应速率，k是反应速率常数，[A]是反应物A的浓度。

反应速率常数k是一个与温度有关的常数，它反映了反应物在一定温度下反应的速率。

当温度升高时，反应速率常数也会增大，反应速率也会加快。

二、反应物浓度反应物浓度是影响化学反应速率的重要因素之一。

反应物浓度越高，反应速率也越快。

这是因为反应物浓度的增加会增加反应物之间的碰撞频率，从而增加反应速率。

反应物浓度对反应速率的影响可以用速率方程来表示。

例如，对于二级反应，速率方程可以表示为：r = k[A]^2其中，r是反应速率，k是反应速率常数，[A]是反应物A的浓度。

可以看出，反应速率与反应物A的浓度的平方成正比，说明反应物浓度对反应速率的影响是二次的。

三、反应机理反应机理是指化学反应中反应物之间的相互作用和转化过程。

反应机理的研究可以揭示反应速率的来源和反应物之间的相互作用。

反应机理可以用反应动力学来描述。

反应动力学是指反应速率与反应物浓度和温度之间的关系，它可以用速率方程来表示。

例如，对于复合反应，速率方程可以表示为：r = k[A][B]其中，r是反应速率，k是反应速率常数，[A]和[B]分别是反应物A 和B的浓度。

可以看出，反应速率与反应物A和B的浓度成正比，说明反应物A和B之间的相互作用对反应速率的影响是一次的。

第十一章 化学动力学§化学反应的反应速率及速率方程1.反应速率的定义非依时计量学反应: 若某反应不存在中间物，或虽有中间物，但其浓度甚微可忽略不计，则此类反应将在整个反应过程中符合一定的计量式。

那么，这类反应就称为非依时计量学反应 某反应的化学计量式：B B0B ν=∑对非依时计量学反应，反应进度ξ定义为：B B d d /n ξν=转化速率为：B B d /d (1/)(d /d )t n t ξξν==& 反应速率为：B B /(1/)(d /d )r V V n t ξν==& 即用单位时间单位体积内化学反应的反应进度来定义反应速率。

对非依时计量学反应，此定义与用来表示速率的物质B 的选择无关，与化学计量式的写法有关。

对于恒容反应，反应速率可表示为：B B (1/)(d /d )r c t ν= 对任何反应： E F G H e f g h +=+G E F Hd d d d 1111d d d d c c c c re tf tg th t=-=-==2.基元反应 定义：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。

基元反应为组成一切化学反应的基本单元。

例如：2222C +M =2C +M C +H =HC +H H +C =HC +C 2C +M =C +Mg g化学反应方程，除非特别注明，一般都属于化学计量方程，而不代表基元反应。

反应机理：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。

3. 基元反应的速率方程--质量作用定律、反应分子数（1）反应分子数：基元反应方程式中各反应物分子个数之和，称为反应分子数。

（2）质量作用定律：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。

物理化学化学动力学知识点总结一、化学动力学的基本概念1.1 化学动力学的定义化学动力学是研究化学反应速率和反应机理的科学领域，它关注化学反应发生的速度和影响反应速率的因素。

1.2 反应速率的定义反应速率指的是单位时间内反应物消耗或生成物产生的量，通常用摩尔/升或克/升来表示。

1.3 反应速率的计算反应速率可以通过观察反应物浓度随时间的变化来计算，也可以根据剩余物质浓度的变化率来求得。

二、反应速率与浓度变化的关系2.1 反应速率与浓度的关系一般来说，反应速率与反应物的浓度成正比，可以用速率定律来描述。

2.2 速率定律的表达式速率定律可以通过实验得到，一般形式为v = k[A]^m[B]^n，其中v为反应速率，k为速率常数，[A]和[B]分别为反应物的浓度，m和n分别为反应物的反应级别。

2.3 速率常数的影响因素速率常数受温度、催化剂等因素的影响，温度升高可以增加速率常数，催化剂可以降低活化能，从而提高反应速率。

三、反应动力学的研究方法3.1 反应速率的实验测定通过实验测定反应物浓度随时间的变化，可以得到反应速率与时间的关系，从而得到速率常数和反应级数。

3.2 反应机理的研究通过实验测定不同反应条件下的反应速率，可以推断反应机理，进而提出反应的准确机理方程。

3.3 反应活化能的测定通过测定不同温度下的反应速率常数，可以利用阿伦尼乌斯方程计算反应的活化能，从而了解反应的热力学特性。

四、反应平衡和平衡常数4.1 反应的正向和逆向反应在一个封闭的系统中，当正向反应和逆向反应达到动态平衡时，反应速率相等，但各反应物浓度不再改变。

4.2 平衡常数的定义平衡常数（Kc）描述了反应在平衡时各反应物浓度的关系，可以通过实验测定得到。

4.3 平衡常数的计算平衡常数可以根据反应的化学方程式来确定，如果反应中有气体，也可以用分压来表示平衡常数。

五、影响平衡常数的因素5.1 温度的影响温度升高可以改变反应的平衡常数，一般来说，温度升高会使平衡常数偏向热力学不利的方向。

物理化学中的分子动力学在物理化学领域中，分子动力学是一种重要的研究方法，用于揭示分子之间的相互作用和运动规律。

通过模拟和计算分子的运动轨迹，我们可以深入了解物质的性质和行为，为材料科学、生物化学等领域的研究提供有力支持。

一、分子动力学的基本原理分子动力学是基于牛顿力学的一种计算方法，通过求解分子的运动方程，模拟分子在给定条件下的运动轨迹。

其基本原理可以概括为以下几点：1. 分子的力场：分子之间的相互作用力可以通过势能函数来描述，例如分子间的库仑相互作用、范德华力等。

这些力场可以通过实验数据或理论计算得到。

2. 分子的运动方程：根据牛顿第二定律，分子的运动可以由其受到的力和质量决定。

分子动力学模拟通过求解运动方程，得到分子在不同时间点的位置和速度。

3. 时间步长和积分算法：为了模拟分子的运动，需要将时间离散化，即将连续的时间分割为离散的时间步长。

通常使用的积分算法有欧拉法、Verlet算法等，通过迭代计算得到分子在每个时间步长的位置和速度。

二、分子动力学的应用分子动力学在物理化学领域有广泛的应用，以下是几个典型的例子：1. 材料科学：分子动力学可以用于研究材料的力学性质、热传导性能等。

通过模拟材料中原子的运动，可以预测材料的力学响应和热稳定性，为新材料的设计和优化提供指导。

2. 生物化学：分子动力学可以用于研究生物分子的结构和功能。

通过模拟蛋白质、核酸等生物分子的运动，可以揭示其在生物体内的作用机制，为药物设计和疾病治疗提供理论依据。

3. 化学反应：分子动力学可以用于研究化学反应的动力学过程。

通过模拟反应物的运动和相互作用，可以得到反应速率常数、能垒等关键参数，为理解和控制化学反应提供重要信息。

三、分子动力学的挑战和发展尽管分子动力学在物理化学领域有广泛应用，但仍然面临一些挑战和限制。

其中一些包括：1. 计算资源：分子动力学模拟需要大量的计算资源，特别是对于大规模系统和长时间尺度的模拟。

因此，提高计算效率和开发高性能计算方法是当前的研究方向。

化学动力学的物理化学解释和实际应用化学动力学是研究化学反应速率和反应机理的分支学科，旨在了解和解释化学反应发生的速度和过程。

通过物理化学的原理和方法，可以揭示化学反应背后的机制，并应用于许多重要的实际问题中。

一、物理化学解释在化学动力学中，反应速率是一个核心概念。

反应速率是指单位时间内反应物的浓度变化量，通常通过反应物浓度随时间的变化曲线来表示。

物理化学可以提供几种解释来解释反应速率的变化。

1. 碰撞理论碰撞理论是解释反应速率的重要模型之一。

根据碰撞理论，反应速率与反应物分子之间的碰撞频率和碰撞能量有关。

只有具有足够能量的分子碰撞才能导致反应发生。

因此，随着温度的升高，反应速率也会增加，因为更多的分子能够具备足够的能量来引发反应。

2. 速率方程速率方程是描述反应速率和反应物浓度之间关系的方程。

物理化学可以通过实验数据的分析来确定速率方程的形式和速率常数。

常见的速率方程包括零级、一级和二级反应。

零级反应速率与反应物浓度无关，一级反应速率与单一反应物的浓度成正比，而二级反应速率与两个反应物的浓度的乘积成正比。

3. 反应机理反应机理是描述反应过程中每个步骤和中间物质的详细信息。

物理化学可以通过实验数据和理论计算来推断出反应机理。

反应机理的知识对于理解反应速率的变化以及优化反应条件非常关键。

二、实际应用化学动力学的研究对于许多实际应用具有重要意义。

以下是一些实际应用的例子：1. 化学工业化学工业中的许多反应需要快速进行，以提高产量和效率。

通过研究反应机理和调控反应条件，可以优化工业反应的速率，从而实现工业生产的需求。

2. 环境科学了解化学反应的速率和机制对于环境科学也至关重要。

例如，研究大气中臭氧的生成和分解速率可以帮助我们预测空气污染的程度和趋势。

另外，污水处理中的反应速率也需要仔细研究，以确保有效去除有害物质。

3. 药物开发药物的合成和分解速率对于药物疗效和安全性有着直接的影响。

化学动力学的研究可以帮助药物开发人员确定最佳的合成路线和稳定性条件，从而提高药物的效力和稳定性。