第7章 化学动力学和催化作用部分自我测

第七章 化学动力学章末总结一、内容提要1. 基本概念（1）化学动力学的研究对象研究化学反应的速率和机理以及影响速率的各种因素，如温度、浓度、压力、催化剂、介质和分子结构等。

（2）动力学曲线动力学曲线即反应物或生成物的浓度随时间的变化曲线。

（3）转化速率对应于指明的化学计量方程，反应进度ξ在t 时刻的变化率称为该反应的转化速率，用d dtξ表示，单位为1mol s - 。

（4）化学反应速率 单位体积内的转化率称为反应速率，1d r V dt ξ=。

（5）基元反应与非基元反应① 基元反应：反应物分子一经碰撞直接变成产物。

② 非基元反应：若反应物到产物，必须经过中间步骤称为非基元反应或复杂反应。

（6）反应的速率方程表示反应速率与浓度等参数之间的关系，或表示浓度等参数与时间的关系的方程称为反应的速率方程。

（7）速率系数速率方程中的比例系数称为速率系数或速率常数，用k 表示。

①k 的物理意义：数值上相当于反应物均为单位浓度时的反应速率。

②特点：A. k 数值与反应物的浓度无关。

在催化剂等其他条件确定时，k 的数值仅是温度的函数；B. k 的单位随着反应级数的不同而不同；C. k 的数值直接反映了反应速率的快慢。

（8）质量作用定律基元反应的速率与各反应物浓度的幂乘积成正比，其中各浓度项的方次即为反应方程中各物质的系数，这就是质量作用定律，它只适用于基元反应。

（9）反应级数在反应的速率方程中，所有浓度项方次的代数和称为该反应的级数，用n 表示。

n 可以是正数、负数、整数、分数或零，也有的反应无法说出其反应级数。

（10）反应分子数在基元反应中，反应物分子数之和称为反应分子数，其数值为1，2或3。

2. 具有简单级数反应的特点（1）零级反应定义：反应速率与反应物浓度的零次方成正比，即与反应物的浓度无关。

特点：微分式 0dx k dt= 积分式 0x k t = 线性关系 ~x t半衰期 1022a t k =0k 的单位 3m o l d m - 或 [ -1浓度][时间] （2）一级反应定义：反应速率与反应物浓度的一次方成正比。

第七章化学动力学习题一、填空题1. 基元反应A＋2B ＝2C, 反应物的消耗速度率和产物的生成速率的速率常数分别为k 、k 和k ,则三者之间的关系为k ＝ .2. 已知反应2A --> P, A 的半衰期与其初始浓度成正比,此反应为 级.3. 催化剂可加快反应速率的主要原因是降低活化能或 .4. 质量作用定律表述为: .5. 某一级反应,在20 ℃时反应物浓度减少为原来的一半需要用10分钟, 此反应的速率常数为 .6. 催化剂只能改变 而不能改变 .7. 反应aA →产物, 若为一级反应,以 对时间t 作图可得直线;若为二级反应,以 对t 作图可得直线.8. 某对行反应在室温下的正、逆反应速率常数和平衡常数分别为k、k'和K;加入催化剂后,正、逆反应的速率常数和平衡常数分别为k 、k '和K .已知k ＝10k,则k '＝ k'及K ＝ K.9. 基元反应2Br·───> Br , k 为用Br·浓度表示的反应速率常数. Br 的生成速率d[Br ]/dt = .10. 某一级反应的半衰期t = 0.01 s,则其反应速率常数k = .二、选择题1. 下列反应中有可能是基元反应的是反应 .A. 2NH ─────-> N + 3HB. CH I + HI───> CH + IC. Pb( C H ) ──> Pb + 4C H ·D. 2H + 2O ────> H O2. 某反应速率常数为0.099 min ,反应物初浓度为0.2 mol.dm , 则反应物的半衰期为 .A. 1.01 min;B. 4.04 min;C. 7.0 min;D. 50.5 min.3. 某反应 a A ──> P, 分别以A 的初浓度[A] = 0.05 mol/L 和[A] = 0.10 mol/L 进行反应, 测得半衰期分别为15 min和30 min, 此反应为 级反应.A. 零,B. 一,C. 1.5,D. 二4. 某反应 a A ──> P, 分别以A 的初浓度[A] = 1.0 mol/L 和[A] = 0.10 mol/L 进行反应, 测得半衰期分别为 1 min 和10 min, 此反应为 级反应.A. 零,B. 一,C. 二,D. 三5. 反应A ─-> P 的速率常数为k =6.93 min . 反应物浓度由0.50 mol/L降到0.25mol/L 所需的时间为 min.A. 0.1,B. 0.2,C. 1.0,D. 106. 反应A + 2 B ─-> P, 以A 的浓度变化和B 的浓度变化表示的速率常数分别为k 和k , 则 .A. 2 k = k ,B. k = 2 k ,C. k = k ,D. k = k7. 反应A + 2 B ─-> P, 以A 的浓度变化和B 的浓度变化表示的反应速率分别为v 和v , 则 .A. v = 2 v ,B. v = 2 v ,C. v = v ,D. v = v8. 某反应的速率常数k = 3.0 mol .dm .min , 此反应为 级反应.A. 零,B. 0.5,C. 1.5,D. 二9. 反应a A ─-> P 的速率常数为0.02 min , 反应物A 的初浓度[A] =1.0 mol.dm .反应的半衰期为 min.A. 25,B. 34.7,C. 41,D. 5010. 某化学反应方程式2A ─> P, 则表明该反应为 .A. 二级反应,B. 双分子反应,C. 基元反应,D. 以上都无法确定三、计算题1. 在恒容容器中发生一级反应4A ─> B＋6C (各组分可视为理想气体),反应开始时只有A,压力为13.3 kPa,在1000 K时, 反应40分钟, 测得压力为20 kPa.(1)求反应速率常数k(1000K);(2)若800K时, k(800K) ＝3.5×10 min ,求活化能Ea.2．某温度下物质A 与等量物质B 混合,反应到1000秒时, A 已反应掉一半.计算反应2000秒后, A 的转化率:(1) 按零级反应计算;(2) 按对A 为一级,对B 为零级计算;(3) 按对A 及B 均为一级计算.3. 反应A+B→P. A 与B 按等摩尔比混合,反应10分钟后, A 反应掉75 ％.计算15分钟后, A 反应掉多少?(1)按一级反应; (2)按二级反应; (3)按零级反应.4. 某反应的速率常数为:温度25 ℃35 ℃k 3.46×10 s 1.35×10 s计算该反应的活化能与指前因子.5. 某物质A 的分解反应为一级反应,当初浓度为0.1 mol.dm 时, 经50分钟分解20 ％.求:(1) 反应速率常数k;(2) 半衰期t ;(3) 起始浓度为0.02 mol.dm 时,分解20 ％所需时间.。

第七章化学动力学基础7-1:区别下列概念：(a) 碰撞理论和过渡态理论；(b) 有效碰撞与无效碰撞；(c) 活化能与反应热；(d) 均相催化剂与多相催化剂；(e) 催化剂、助催化剂与阻化剂；(f) 物理吸附与化学吸附；(g) 反应分子数与反应级数；(h) 单分子过程和双分子过程。

答：(a) 碰撞理论和过渡态理论是描述反应速率理论的两个不同理论：碰撞理论：1918 年Lewis 运用气体分子运动论的成果提出的一种反应速率理论。

它假设：①原子、分子或离子只有相互碰撞才能发生反应，即碰撞是反应的先决条件；②只有少部分碰撞能导致化学反应，大多数反应物微粒碰撞后发生反弹而与化学反应无缘。

过渡状态理论：20 世纪30 年代，在量子力学和统计力学发展基础上，由Eyring等提出的另一种反应速率理论。

它认为反应物并不只是通过简单碰撞就能变成生成物，而是要经过一个中间过渡状态，即反应物分子首先形成活化络合物，通常它是一种短暂的高能态的“过渡区物种”，既能与原来的反应物建立热力学的平衡，又能进一步解离变为产物。

(b) 在碰撞理论中，能导致化学反应的碰撞为有效碰撞，反之则为无效碰撞。

(c) 为使反应得以进行，外界必需提供的最低能量叫反应的活化能；反应热是反应过程（从始态至终态）的热效应（放出或吸收的热量）。

(d) 决定于是否与反应物同处一相。

(e) 催化剂是一类能改变化学反应速率而本身在反应前后质量和化学组成都没有变化的物质；助催化剂是能够大大提高催化剂催化效率的一类物质；阻化剂则是严重降低甚至完全破坏催化剂催化活性的一类杂质。

(f) 两者的区别在于催化剂与被吸附物之间作用力的本质不同。

如果被吸附物与催化剂表面之间的作用力为范德华力, 这种吸附叫物理吸附；如果被吸附物与催化剂表面之间的作用力达到化学键的数量级, 则叫化学吸附。

(g) 反应级数是描述速率方程的一个术语，不必考虑方程所描述的反应是否为元反应，它等于速率方程中浓度项指数的和；而只是元反应才能按反应分子数分类，参与元过程的分子的数目叫该元过程的分子数；(h) 单分子过程和双分子过程是元反应设计的术语，单分子过程前者涉及单个分子的解离；双分子过程则涉及两个分子的碰撞。

第七章化学动力学主要内容1.化学动力学的任务和目的2.化学反应速率的定义3.化学反应的速率方程4.具有简单级数的反应5.几种典型的复杂反应6.温度对反应速率的影响7.链反应 重点1.重点掌握化学反应速率、反应速率常数及反应级数的概念2.重点掌握一级和二级反应的速率方程及其应用3.重点掌握复杂反应的特征，了解处理对行反应、平行反应和连串反应的动力学方法。

4.重点理解阿罗尼乌斯方程的意义并会应用。

明确活化能及指前因子的定义 难点1.通过实验建立速率方程的方法2.稳态近似法、平衡近似法及控制步骤的概念及其运用3.复杂反应的特征及其有关计算 教学方式1.采用CAI 课件与黑板讲授相结合的教学方式。

2.合理运用问题教学或项目教学的教学方法。

教学过程第7.1节化学动力学研究的内容和方法热力学讨论了化学反应的方向和限度，从而解决了化学反应的可能性问题，但实践经验告诉我们，在热力学上判断极有可能发生的化学反应，实际上却不一定发生。

例如合成氨的反应，223()3()2()N g H g NH g ，在298.15K 时，按热力学的结论，在标准状态下此反应是可以自发进行的，然而人们却无法在常温常压下合成氨。

但这并不说明热力学的讨论是错误泊，实际上豆科植物就能在常温常压下合成氨，只是目前还不能按工业化的方式实现，这说明化学反应还存在一个可行性的问题。

因此，要全面了解化学反应的问题，就必须了解化学变化的反应途径----反应机理，必须引入时间变量。

研究化学反应的速率和各种影响反应速率的因素，这就是化学动力学要讨论的主要内容。

一、化学热力学的研究对象和局限性：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发生，但如何使它发生，热力学无法回答。

二、化学动力学的研究对象 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。

第七章7-1、证明对于二级反应，当反应物的原始浓度相同时，作用掉3/4原始反应物所需时间等于此反应半衰期的三倍． 证明：对于二级反应000][3)14311(][1)111(][1A k A k A k t ααθαθ=--=--= 02/1][1A k t α=2/13t t =∴θ7-2、反应A ２+B ２→2AB 若为基元反应，速率方程应当怎样？只根据速率方程能否确定是否基元反应？ 解：速率方程为]][[22B A k r =只根据速率方程不能确定是基元反应。

例如: H 2+I 2=2HI 的速率方程为 ]][[22I H k r =,但H 2+I 2=2HI 的反应并不是基元反应。

所以只跟据速率 方程不能确定是基元反应。

7-3、试证明一级反应在其原始反应物的转化率从0→50%，50→75%及75→87.5%所需的每段反应时间都等于ln2/k 。

解：对于一级反应：0→50%的时间： k t 2ln 1=50→75%的时间：k k k t 2ln 2ln 4311ln 1=--= 75→87.5%的时间：k k k t 2ln 4311ln 18711ln 1=---= 7-4、反应(CH 3)2CHN=NCH(CH 3)2(g) →N 2(g)+C 6H 12(g)为一级反应。

若反应在恒容反应器中进行，则体系的压力逐渐增大。

假设t =0时，(CH 3)2CHN=NCH(CH 3)2(g)的压力为P i ，此时没有产物。

在t =t 时，反应体系的压力为P 。

证明k =1/t ln[P i /（2P i –P ）]解：设(CH 3)2CHN=NCH(CH 3)2(g) , N 2(g), C 6H 12(g)分别为A, B, C A → B + Ct=0 P A,0 0 0 t=t P A,0-P B P B P c =P B 系统总压力 P= P A,0-P B +(P B+ P B )= P A,0+P B 反应物A 的分压P A = P A,0-P B = P A,0-(P- P A,0)=2P A,0-P一级反应⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=P P P t P P t k i i A A 2ln 110, 7-5、温度升高，反应速率为什么增大？从阿仑尼乌斯公式和碰撞理论来解释。

化学催化反应的动力学模拟化学催化反应是工业生产中非常重要的一部分，其良好的催化效应可以大大提高反应速率，降低反应温度，增加产量等，这对于工业生产来说至关重要。

而催化反应是在反应物和催化剂之间的相互作用中发生的，这就需要深入了解反应物和催化剂之间的作用机理。

化学催化反应的动力学模拟可以揭示反应物和催化剂之间的相互作用规律，为反应过程的优化提供指导。

在催化反应中，反应物首先要吸附在催化剂表面，随后在催化剂表面上发生反应，最后由于反应物产品的脱附而结束反应。

这整个过程是一个包含吸附、反应和脱附的动力学过程，需要模拟吸附能、表面反应能和脱附能等参数。

为了进行动力学模拟，可以采用杜隆-普朗特方程（DFT）以及分子动力学模拟（MD）等计算方法。

其中，DFT方法是基于量子力学的方法，适用于描述形成共价键的氧化物、金属氧化物等催化剂；而MD方法是基于经典力学的方法，可以描述金属表面的催化反应等现象。

在进行化学催化反应动力学模拟时，需要先建立反应物和催化剂的模型，包括各自的分子结构和相互作用规律。

为了模拟吸附、反应和脱附过程，需要分别建立吸附、反应和脱附模型，确定多维自由能曲线，并计算在不同温度和压力下的反应动力学参数。

通过动力学模拟，可以得到各个阶段的反应速率常数，从而获得反应速率表达式和反应机理。

进一步，可以通过控制温度、压力、反应物浓度等因素，优化反应条件，提高反应的效率。

总之，化学催化反应的动力学模拟是一项非常重要的研究工作，其结果可以为工业生产提供有力的支持和指导。

随着计算机技术的不断发展和计算方法的不断改进，动力学模拟的精度和可靠性将不断提高，为化学催化反应的研究和应用打下更加坚实的基础。