导图社区 09物理化学——化学动力学基础(一)(可打印版)
根据傅献彩和朱文涛老师的大学教材《物理化学》,总结出的知识体系,并且制作成可以打印的版本,希望对大家有所帮助。本节是对化学动力学基础第一部分的总结
编辑于2023-06-27 20:15:36 福建省化学动力学基础(一)
化学动力学的任务和目的
化学反应速率的表示法
定义
用浓度表示:
等容反应
对于理想气体
用压力表示:
对于多相催化反应
定义
催化剂用量Q用质量m表示
催化剂用量Q用堆体积V表示
催化剂用量Q用表面积A表示
化学反应的速率方程
基元反应和 非基元反应
非基元反应
基元反应
质量 作用定律
质量作用定律只适用于基元反应
反应的级数、反应分子数和反应速率常数
反应分子数
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
反应分子数属于微观范畴,通常与反应的级数一致,但有时单分子反应也可能表现为二级反应
反应级数
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
反应分子数和反应级数不是一 一对应关系
速率系数k
单位取决于反应级数
在催化剂等其他条件确定时,k 的数值仅是温度的函数
具有简单级数的反应
零级反应
一级反应
特点
一级反应的半衰期与反应物起始浓度无关,是一个常数
用转化率表示
二级反应
特点
用转化率表示
三级反应
特点
准级数反应
反应级数的测定方法
微分法
积分法(尝试法)
半衰期法
或
几种典型的复杂反应
对峙反应
1-1级 对峙反应
2-2级 对峙反应
特点
净速率等于正、逆反应速率之差值
达到平衡时,反应净速率等于零
正、逆速率系数之比等于平衡常数
在 c~t 图上,达到平衡后,反应物和产物的浓度不再随时间而改变
平行反应
特点
平行反应的总速率等于各平行反应速率之和
速率方程的微分式和积分式与同级的简单反应的速率方程相似,只是速率常数为各个平行反应速率常数的和
当各产物的起始浓度为零时,在任一瞬间,各产物浓度之比等于速率常数之比
若各平行反应的级数不同,则无此特点
用合适的催化剂可以改变某一反应的速率,从而提高主反应产物的产量
用改变温度的办法,可以改变产物的相对含量。活化能高的反应,速率系数随温度的变化率也大
连续反应
连续反应的c∽t关系曲线
慢反应为控速步骤的复杂反应是连续(串联)反应
基元反应的微观可逆性原理
对1-1对峙反应
对任一对峙反应,平衡时其基元反应的正向反应速率与逆向逆反应速率必须相等。这一原理称为精细平衡原理
对于化学反应,微观可逆性可以表述为: 基元反应的逆过程必然也是基元反应,而且逆过程就按原来的路程返回
温度对反应速率的影响
速率常数与温度的关系
Van't Hoff 近似规则
温度每升高10 K,反应速率近似增加2~4倍
Arrhenius 经验式
适用于基元反应和大部分非基元反应
反应速率与温度关系的几种类型
(a) 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
(b) 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
(c) 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
(d) 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
(e) 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
(f) 是反常的,温度升高,反应速率反而下降,如一氧化氮氧化成二氧化氮就属于这一类型
反应速率与活化能之间的关系
lnK=-Ea/RT+lnA,代表斜率和截距
关于活化能
活化能概念的进一步说明
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
基元反应的活化能
任意化学反应
等容条件
等压条件
复杂反应的活化能
反应历程
活化能
活化能与温度的关系
在速率理论中指出速率常数与温度的关系为
其他形式
考虑Ea也是温度的函数
活化能的估算
用键能估算
对于基元反应
对于有自由基参加的基元反应
分子裂解成两个原子或自由基
自由基的复合反应
链反应
链的开始、链的传递和链的终止
直链反应
反应历程
稳态近似法
假定反应进行一段时间后,系统基本上处于稳态,各中间产物的浓度可认为不随时间而变化
条件
中间产物很活泼,反应稳定时
支链反应
H2和O2反应历程
压力低于 ab 线,不爆炸,称为爆炸下限
随着温度的升高,活性物质与反应分子碰撞次数增加,使支链迅速增加,就引发支链爆炸,这处于 ab 和 bc 之间
压力进一步上升,粒子浓度很高,有可能发生三分子碰撞而使活性物质销毁,也不发生爆炸,bc 称为爆炸上限
压力继续升高至 c 以上,反应速率快,放热多,发生热爆炸
温度低于730 K,无论压力如何变化,都不会爆炸
支链反应有可能引发支链爆炸,但能否爆炸还取决于温度和压力
拟定反应历程的一般方法
1. 写出反应的计量方程
2. 实验测定速率方程,确定反应级数
3. 测定反应的活化能
4. 用顺磁共振(EPR)、核磁共振(NMR)和质谱等手段测定中间产物的化学组成
5. 拟定反应历程
6. 从反应历程用稳态近似、平衡假设等近似方法推导动力学方程,是否与实验测定的一致
7. 从动力学方程计算活化能,是否与实验值相等
8. 如果(6),(7)的结果与实验一致,则所拟的反应历程基本准确,如果不一致则应作相应的修正
化学动力学基础(一)
化学动力学的任务和目的
化学反应速率的表示法
定义
用浓度表示:
等容反应
对于理想气体
用压力表示:
对于多相催化反应
定义
催化剂用量Q用质量m表示
催化剂用量Q用堆体积V表示
催化剂用量Q用表面积A表示
化学反应的速率方程
基元反应和 非基元反应
非基元反应
基元反应
质量 作用定律
质量作用定律只适用于基元反应
反应的级数、反应分子数和反应速率常数
反应分子数
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
反应分子数属于微观范畴,通常与反应的级数一致,但有时单分子反应也可能表现为二级反应
反应级数
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
反应分子数和反应级数不是一 一对应关系
速率系数k
单位取决于反应级数
在催化剂等其他条件确定时,k 的数值仅是温度的函数
化学动力学基础(一)
具有简单级数的反应
零级反应
一级反应
特点
一级反应的半衰期与反应物起始浓度无关,是一个常数
用转化率表示
二级反应
特点
用转化率表示
三级反应
特点
准级数反应
反应级数的测定方法
微分法
积分法(尝试法)
半衰期法
或
化学动力学基础(一)
几种典型的复杂反应
对峙反应
1-1级 对峙反应
2-2级 对峙反应
特点
净速率等于正、逆反应速率之差值
达到平衡时,反应净速率等于零
正、逆速率系数之比等于平衡常数
在 c~t 图上,达到平衡后,反应物和产物的浓度不再随时间而改变
平行反应
特点
平行反应的总速率等于各平行反应速率之和
速率方程的微分式和积分式与同级的简单反应的速率方程相似,只是速率常数为各个平行反应速率常数的和
当各产物的起始浓度为零时,在任一瞬间,各产物浓度之比等于速率常数之比
若各平行反应的级数不同,则无此特点
用合适的催化剂可以改变某一反应的速率,从而提高主反应产物的产量
用改变温度的办法,可以改变产物的相对含量。活化能高的反应,速率系数随温度的变化率也大
连续反应
连续反应的c∽t关系曲线
慢反应为控速步骤的复杂反应是连续(串联)反应
化学动力学基础(一)
基元反应的微观可逆性原理
对1-1对峙反应
对任一对峙反应,平衡时其基元反应的正向反应速率与逆向逆反应速率必须相等。这一原理称为精细平衡原理
对于化学反应,微观可逆性可以表述为: 基元反应的逆过程必然也是基元反应,而且逆过程就按原来的路程返回
温度对反应速率的影响
速率常数与温度的关系
Van't Hoff 近似规则
温度每升高10 K,反应速率近似增加2~4倍
Arrhenius 经验式
适用于基元反应和大部分非基元反应
反应速率与温度关系的几种类型
(a) 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
(b) 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
(c) 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
(d) 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
(e) 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
(f) 是反常的,温度升高,反应速率反而下降,如一氧化氮氧化成二氧化氮就属于这一类型
反应速率与活化能之间的关系
lnK=-Ea/RT+lnA,代表斜率和截距
化学动力学基础(一)
关于活化能
活化能概念的进一步说明
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
基元反应的活化能
任意化学反应
等容条件
等压条件
复杂反应的活化能
反应历程
活化能
活化能与温度的关系
在速率理论中指出速率常数与温度的关系为
其他形式
考虑Ea也是温度的函数
活化能的估算
用键能估算
对于基元反应
对于有自由基参加的基元反应
分子裂解成两个原子或自由基
自由基的复合反应
化学动力学基础(一)
链反应
链的开始、链的传递和链的终止
直链反应
反应历程
稳态近似法
假定反应进行一段时间后,系统基本上处于稳态,各中间产物的浓度可认为不随时间而变化
条件
中间产物很活泼,反应稳定时
支链反应
H2和O2反应历程
压力低于 ab 线,不爆炸,称为爆炸下限
随着温度的升高,活性物质与反应分子碰撞次数增加,使支链迅速增加,就引发支链爆炸,这处于 ab 和 bc 之间
压力进一步上升,粒子浓度很高,有可能发生三分子碰撞而使活性物质销毁,也不发生爆炸,bc 称为爆炸上限
压力继续升高至 c 以上,反应速率快,放热多,发生热爆炸
温度低于730 K,无论压力如何变化,都不会爆炸
支链反应有可能引发支链爆炸,但能否爆炸还取决于温度和压力
拟定反应历程的一般方法
1. 写出反应的计量方程
2. 实验测定速率方程,确定反应级数
3. 测定反应的活化能
4. 用顺磁共振(EPR)、核磁共振(NMR)和质谱等手段测定中间产物的化学组成
5. 拟定反应历程
6. 从反应历程用稳态近似、平衡假设等近似方法推导动力学方程,是否与实验测定的一致
7. 从动力学方程计算活化能,是否与实验值相等
8. 如果(6),(7)的结果与实验一致,则所拟的反应历程基本准确,如果不一致则应作相应的修正