第三章 化学反应速率与化学平衡

第三章 化学反应速率与化学平衡 学习目标： · 理解反应速率的概念、 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示方法和反应速率方程； · 理解并掌握浓度（或分压）、温度、催化剂对化学反应速率的影响并会应用； · 掌握 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 平衡常数的概念及表达式的书写； · 掌握转化率的概念及有关计算和应用； · 运用平衡移动原理说明浓度、压力、温度对化学平衡移动的影响。 化学反应速率：表示化学反应进行的快慢；化学平衡：表示反应的完全程度。在生产实践如化工生产中，通常希望反应快速完成、转化完全。相反，对于那些危害很大的化学变化，如食物的变质、铁的生锈、染料的褪色，以及橡胶的老化等，总是希望阻止或尽可能延缓其发生，以减少损失。 决定化学反应速率的主要因素是：反应物的化学性质、反应物浓度、温度、压力、催化剂、比表面积等条件；决定反应完全程度的主要因素：系统各物质的化学性质、反应时各物质的浓度、系统的温度、压力等条件。 3.1 化学反应速率 反应速率快的反应：炸药的爆炸、酸碱的中和反应； 反应速率慢的反应：一些氧化还原反应；而如金属的自然氧化几乎看不出其变化。 为了比较化学反应的快慢，首先必须确定反应速率的表示方法。 反应速率：指在一定条件下，化学反应中反应物转变为生成物的速率。 表示方法：用单位时间内反应物或生成物浓度变化的正值表示。 平均反应速率 = 式中 ——平均反应速率； ——化学计量数，其中反应物取负值，生成物取正值； ——物质浓度的变化，单位为mol/L； ——物质浓度变化所需的时间。 浓度单位：mol/L，时间的单位可根据反应快慢采用s（秒）、min（分）、h（小时）、d（天）、a（annual,年）等。 例如：以N2O5在CCl4溶液中的分解反应为例说明平均反应速率的表示方法。 在CCl4溶液中，N2O5按下式分解： 2N2O5 ===== 4NO2 + O2 分解反应的数据如下： 经过的时间t/s N2O5浓度c/(mol·L-1) 0 2.10 100 1.95 300 1.70 700 1.31 从表中可以看出，反应进行了100s时，如用N2O5来表示平均反应速率，则 （N2O5）= EMBED Equation.DSMT4 = - EMBED Equation.DSMT4 mol·L-1·s-1 = 0.75×10-3 mol·L-1·s-1 对大多数化学反应来说，反应过程中反应物和生成物的浓度时时刻刻都在变化，故反应速率也是随时间变化的。平均反应速率不能真实地反映这种变化，只有瞬时速率才能表示化学反应中某时刻的真实反应速率。 瞬时反应速率：当 趋近于零时，平均反应速率 的极限值。即时间间隔越短，平均速率就越接近于真实速率。当 趋于无限小， 0时，瞬时速率的表达式为： v = = ，以后常将瞬时反应速率称为反应速率。 例1 P52（3-8） 3.2 化学反应速率理论简介 一、碰撞理论 1、有效碰撞 A + B AB 参加化学反应的物质的分子、原子或离子间必须进行碰撞才能发生反应。反应物分子碰撞的频率越高，反应速率就越快。 并不是每次碰撞都能发生化学反应，大多数的碰撞都是无效的，并无化学反应发生，只有极少数碰撞才能导致反应，这种碰撞叫做有效碰撞。 2、活化分子与活化能 化学反应是旧的化学键断裂和新的化学键形成的过程，要使旧的化学键断裂就需要能量，因此发生有效碰撞的分子一定要有足够的能量。那些具有足够能量能够发生有效碰撞的分子称为活化分子。其余的为非活化分子。只要吸收足够的能量，非活化分子可以转化为活化分子。 在某温度下，反应物分子的平均能量（E平均）和活化分子的平均能量（E活化平均）之差为活化能Ea。因此活化能可以理解为：要使单位物质的量的具有平均能量的分子变成活化分子需吸收的最低能量。 显然，如果反应的活化能Ea越大，活化分子的百分数就越小，反应进行得就越慢；反之，反应的活化能Ea越小，反应进行得就越快。化学反应活化能的大小决定于反应本身的性质，它是影响化学反应速率快慢的重要因素。绝大多数化学反应的活化能在60-250 kJ·mol-1,活化能小于40 kJ·mol-1的反应可在瞬间完成，如中和反应；活化能大于400 kJ·mol-1的反应，其反应速率非常慢，有时甚至可以认为实际上并未发生反应。 3、反应物分子碰撞时的取向 在碰撞时，反应物分子必须有恰当的取向，使相应的原子能相互碰撞而形成生成物。 以气相反应NO2 + CO ===== NO + CO2 为例，反应中有一个氧原子从NO2分子转移到CO分子。如图所示：a、b、c所示的碰撞都是无效的，只有在d的情况下，碳原子和氧原子相碰撞时才有可能发生氧原子的转移，导致化学反应。 3.3 影响化学反应速率的主要因素 一、浓度或分压对反应速率的影响 实验证明，在一定温度下，反应物浓度越大，反应速率就越快，反之亦然。 1、元反应和非元反应 元反应：一步能完成的反应称为元反应。如：NO2 + CO ===== NO + CO2 非元反应：分几步进行的反应称为非元反应。例如反应： 第一步： 第二步： 每一步为一个元反应，总反应即为两步反应的加和。 2、元反应的速率方程——质量作用定理 质量作用定律： 在大量实验的基础上，得到结论：在一定温度下，元反应的反应速率与各反应物浓度幂的乘积成正比。浓度的幂指数等于元反应中各反应物的化学计量数。即对于一般的元反应： aA + bB ===== 产物 其速率方程为： v = k {c(A)}a{c(B)}b 式子中，k为速率常数；c(A)、c(B)分别为反应物A和B的浓度，其单位通常采用mol·L-1表示；各物质浓度的幂指数之和（a+b）称为该反应的反应级数。 例如元反应：2NO（g）+ O2(g)===== 2NO2(g) 其速率方程为v=k{c(NO)}2{c(O2)},其反应级数为3级。 强调4点：P（叶）19 3、有效碰撞理论对浓度影响的解释 对一指定反应，在一定温度下，反应物中活化分子的百分数是一定的。增加浓度，或对于气体反应增加分压，单位体积内的活化分子总数增加，有效碰撞次数增加，反应速率加快。 4、反应物浓度与反应时间的关系 速率方程只表明了浓度对反应速率的影响。但是，在实际工作中往往更关注反应物或生成物的浓度如何随反应时间递变的。反应级数不同，浓度与时间的关系就不同，下面介绍几种具有简单级数反应的这种关系式。 半衰期:反应物消耗一半所需的时间称为半衰期，用 表示。 （1）零级反应 反应速率与反应物浓度无关的反应为零级反应。如：固相表面上进行的催化反应，氨在铁催化剂表面上的分解是零级反应。由于氨的分解只能在催化剂铁表面的活性中心上进行，而这活性中心数目很有限，所以氨分解速率只受活性中心数目的控制，氨浓度增大不会引起反应速率增加。 设零级反应式为： A P v = — = kcA0 =k 变换得：dcA= —kdt 积分： = —k c－c0= —kt c=c0-kt 当c= c0时， = 零级反应半衰期与反应物起始浓度有关。起始浓度越大，半衰期越长。即反应物浓度越大，消耗一半反应物所需的时间越长。 （2）一级反应 设反应式为： A P v = — = kcA 变换得： = —kdt 两边积分得：lnc=lnc0-kt或者 =-kt 式中：c0为反应物A的起始浓度；c为A在时间t时的浓度。 当c= c0时， = 结论：一级反应半衰期与反应物起始浓度无关，这是一级反应的特征。 （3）二级反应 Ⅰ类反应：A+B P，此类反应浓度时间的关系为： ，半衰期为： = Ⅱ类反应:2A P,此类反应浓度时间的关系为： ，半衰期为 = 结论：二级反应的半衰期与反应物起始浓度有关，起始浓度越大，半衰期越短。 例3-10.P59 二、温度对反应速率的影响 温度升高时，绝大多数反应的反应速率都会加快。 原因：升温使反应物分子的能量增加，大量的非活化分子获得能量后变成活化分子，单位体积内活化分子百分数大大增加，有效碰撞次数增多，从而反应速率明显增大。 三、催化剂对反应速率的影响 催化剂：是一种能改变反应速率，但本身的组成、质量和化学性质在反应前后不发生任何变化的物质。正催化剂与负催化剂（阻化剂） 原因:改变了反应的历程，降低了反应的活化能，使活化分子总数和百分数都增加了。 催化剂中毒：杂质的存在使催化剂活性大大降低。 注意几点： （1）只加快反应速率，不影响反应的始态和终态，缩短反应时间，但不增加产量。 （2）催化作用降低了反应的活化能，因而反应速率常数增大，从而使反应速率增大。 酶的催化作用。 四、影响反应速率的其他因素 对多相反应，接触面大小、扩散速率和接触机会也影响反应速率。 3.4 化学平衡 一、化学反应中的可逆性和化学平衡 可逆反应：对大多数反应来说，在一定条件下，反应既能按反应方程式从左向右进行（正向），又可从右向左进行（逆向）。 如：2NO（g） + O2（g） 2NO2(g) 将一定量的NO和O2置于一密闭容器中，在一定温度下反应，每隔一段时间取样分析，发现反应物NO和O2的分压逐渐减小，而生成物NO2的分压逐渐增大，而到一定时间后，混合气体中各组分的分压不再随时间而变化，而是维持恒定，这时即达到平衡状态。 用反应速率来解释：反应刚开始时，反应物浓度最大，而产物浓度为0，因此正反应速率最大，而逆反应速率为0。随着反应的进行，反应物浓度逐渐减小，生成物浓度不断增大，从而正反应速率减小，逆反应速率增大，至某一时刻v正=v逆时。此时，在宏观上，各物质的浓度不再改变，处于平衡状态；而在微观上，反应并未停止，正、逆反应仍在进行，只是两者反应速率相等，故化学平衡是动态平衡。图示P22（叶） 二、实验平衡常数 反应达到平衡后，反应物和产物的浓度或分压不再改变。经过大量的实验，人们归纳 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 出了作为平衡特征的实验平衡常数。 对于任一可逆反应aA+bB→dD+eE,在一定温度下，达到平衡时，系统中各物质的浓度有如下关系： Kc= 式中，Kc为化学反应的浓度平衡常数。即在一定温度下，可逆反应达到平衡时，以化学计量数为指数的生成物浓度的乘积与以化学计量数为指数的反应物浓度的乘积之比是一常数Kc。 若是气相反应，由于温度一定时，气体的分压与浓度成正比，可用平衡时气体的分压来代替气态物质的浓度，得到压力平衡常数Kp ：Kp= 浓度平衡常数和压力平衡常数统称为实验平衡常数。 实验平衡常数是有单位的，其单位取决于化学计量方程式中生成物与反应物的单位以及相应的化学计量数。但在使用时，通常只给出数值，不标出单位，这样势必会造成一些误解，为此引入标准平衡常数。 三、标准平衡常数 标准平衡常数又称热力学平衡常数，用符号 表示。 其表达方式与实验平衡常数相同，只是相关物质的浓度要用相对浓度（ ）、分压要用相对分压（ ）来代替。 其中 =1mol.L-1, =100 kPa 1、标准平衡常数的表达式 对于既有固相A，又有B和D的水溶液，以及气体E和H2O参与的可逆反应： aA(s)+bB(aq)====== dD(aq)+ fH2O +eE(g) = 式中水溶液用其相对浓度表示，气体用相对分压而不能用浓度表示。 2、书写和应用标准平衡常数表达式时的 注意事项 软件开发合同注意事项软件销售合同注意事项电梯维保合同注意事项软件销售合同注意事项员工离职注意事项 （1）写入平衡常数表达式中各物质的浓度或分压，必须是在系统达到平衡状态时相应的值。 （2）平衡常数表达式要与计量方程式相对应。同一个化学反应用不同的计量方程式表示时，平衡常数表达式不同，得到的数值也不同。例如：P45 （3）有纯固体、纯液体及稀溶液中溶剂参与反应时，它们的相对浓度为1，不必写入 的表达式。如： CaCO3(s)===== CaO(s)+CO2(g) = 有水参加的反应，既作溶剂，又作反应物，反应掉的水分子数与总的水分子数相比微不足道，故水的相对浓度视为1，不必列入。 3、平衡常数的意义 （1）平衡常数为可逆反应的特征常数。对同类反应来说， 越大，反应进行得就越完全。 （2）由平衡常数可以判断反应是否处于平衡态和处于非平衡态时反应进行的方向。 引入反应商Q的概念：与标准平衡常数表达式完全相同，所不同的是，标准平衡常数只能表达平衡态时，系统内各物质之间的数量关系；反应商则能表示反应进行到任意时刻（包括平衡态）时，系统内各物质之间的数量关系。 有一可逆反应： 对于溶液中的反应： Q= 对于气体反应: Q= 当Q< 时，反应正向进行，说明生成物的浓度（或分压）小于平衡浓度（或分压），反应将向正方向进行； 当Q> 时，反应逆向进行， 说明生成物的浓度（或分压）大于平衡浓度（或分压），反应将向逆方向进行； Q= ，系统处于平衡状态。 P46，例3-1,3-2,3-3。 四、多重平衡规则、平衡转化率 1、多重平衡规则：如果某反应可以由几个反应相加（或相减）得到，则该反应的平衡常数等于几个反应平衡常数之积（或商）。这种关系称为多重平衡规则。 推导过程省略。 若反应（3）=反应（1）+反应（2），则 = × 若反应（1）=反应（3）-反应（2），则 = / 例3-4. 2、平衡转化率 在实际工作中，常用平衡转化率 （简称转化率）来表示可逆反应进行的程度。它是指反应达到平衡时，反应物转化为生成物的百分率： ×100% 转化率越大，表示反应向右进行的程度越大。 平衡常数和转化率虽然都能表示反应进行的程度，但两者有差别，平衡常数与系统的起始状态无关，只与温度有关；转化率 除与温度有关外，还与反应物的起始状态有关，并必须指明是哪种反应物的转化率，反应物不同，转化率的数值往往不同。 3.5 化学平衡的移动 一、化学平衡移动方向的判断 一切平衡都是相对的，暂时的。当外界条件改变时，旧的平衡被破坏，新的平衡重新建立。在新的平衡建立时，反应物和生成物的浓度和原来平衡时是不同的。这种因条件改变从旧的平衡状态转变为新的平衡状态的过程称为化学平衡的移动。 平衡移动原理——吕查得理原理：如果改变平衡系统中某个条件（如浓度、温度、压力），平衡总是向着减弱这个改变的方向移动。如： P48.合成氨的反应。 例3-5 二、化学平衡移动程度的计算 P49：例3-6,例3-7. PAGE 10 _1379620587.unknown _1379621985.unknown _1379795222.unknown _1379962808.unknown _1379962971.unknown _1379963562.unknown _1379963837.unknown _1379963977.unknown _1379963599.unknown _1379963542.unknown _1379962859.unknown _1379961730.unknown _1379962164.unknown _1379960997.unknown _1379795113.unknown _1379795142.unknown _1379795185.unknown _1379794573.unknown _1379794782.unknown _1379795051.unknown _1379622032.unknown _1379621136.unknown _1379621642.unknown _1379621900.unknown _1379621739.unknown _1379621465.unknown _1379621566.unknown _1379620895.unknown _1379621021.unknown _1379620805.unknown _1379620850.unknown _1379620650.unknown _1379533738.unknown _1379566894.unknown _1379620220.unknown _1379620409.unknown _1379619775.unknown _1379534115.unknown _1379534166.unknown _1379533915.unknown _1379532205.unknown _1379533237.unknown _1379533664.unknown _1379533155.unknown _1379532075.unknown _1379532149.unknown _1379531879.unknown _1379531913.unknown _1379531588.unknown