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1、普普 通通 化化 学学主讲：主讲：李琼芳李琼芳1第1页第三章 化学反应速率主讲：主讲：李琼芳李琼芳10/10/2第三章 化学反应速率第2页教学目标教学目标1.了解化学反应速率表示方法及基元反应、简单了解化学反应速率表示方法及基元反应、简单反应、复杂反应等基本概念。反应、复杂反应等基本概念。2.了解浓度对反应速率影响；掌握质量作用定律了解浓度对反应速率影响；掌握质量作用定律、速率方程及反应级数等。、速率方程及反应级数等。3.了解温度对反应速率影响；掌握阿仑尼斯方程了解温度对反应速率影响；掌握阿仑尼斯方程应用。应用。4.了解催化作用原理和反应碰撞理论。了解催化作用原理和反应碰撞理论。3第3页 各种
2、化学反应速率极不相同，即使对同一化学反应，条各种化学反应速率极不相同，即使对同一化学反应，条件不一样，化学反应速率也不相同。比如件不一样，化学反应速率也不相同。比如Cl2和和H2见光就爆炸见光就爆炸生成生成HCl，不见光则几乎不能反应；，不见光则几乎不能反应；Fe和盐酸很快就能反应，和盐酸很快就能反应，而石油和煤形成则需要漫长时间，环境污染中白色污染，其而石油和煤形成则需要漫长时间，环境污染中白色污染，其降解需要几十年甚至更长时间。由此可知，一些为人们所需降解需要几十年甚至更长时间。由此可知，一些为人们所需要化学反应，往往因为反应速率太慢而无法加于利用，为此，要化学反应，往往因为反应速率太慢而
3、无法加于利用，为此，就必须设法提升化学反应速率。比如，合成氨反应，在常温就必须设法提升化学反应速率。比如，合成氨反应，在常温常压，反应进行非常迟缓，依据动力学规律，只要控制反应常压，反应进行非常迟缓，依据动力学规律，只要控制反应条件，用铁作催化剂，在条件，用铁作催化剂，在720770K和高压下，反应就能较快和高压下，反应就能较快地进行，从而到达提升产率目标。而对那些危害性反应，比地进行，从而到达提升产率目标。而对那些危害性反应，比如橡胶、塑料老化，金属设备腐蚀等，则需要设法抑制或减如橡胶、塑料老化，金属设备腐蚀等，则需要设法抑制或减缓其进行，以降低损失。所以，研究化学反应，不但需要考缓其进行，
4、以降低损失。所以，研究化学反应，不但需要考虑它发生可能性而且要研究怎样实现这个反应，研究反应速虑它发生可能性而且要研究怎样实现这个反应，研究反应速率和反应机理。这就是化学动力学研究内容。率和反应机理。这就是化学动力学研究内容。4第4页第一节 化学反应速率概念 一、化学反应速率表示方法一、化学反应速率表示方法二、化学反应速率测定方法二、化学反应速率测定方法5第5页一、化学反应速率表示方法一、化学反应速率表示方法以单位时间内反应物浓度降低或生成物浓度增加表示：以单位时间内反应物浓度降低或生成物浓度增加表示：式中式中 表示平均反应速率；表示平均反应速率；t t表示从表示从t t1 1到到t t2 2
5、时间间隔；时间间隔；c c表示从时间表示从时间t t1 1到到t t2 2这段时间内物质浓度由这段时间内物质浓度由c c1 1到到c c2 2改变。浓改变。浓度若用度若用mol/Lmol/L，时间分别用，时间分别用h h、minmin、s s，则反应速率单位分别，则反应速率单位分别为为mol/Lmol/Lh h、mol/L mol/L min min、mol/L mol/L s s。6第6页比如：在比如：在340K时，时，N2O5热分解反应：热分解反应：2N2O5=4NO2+O2 以不一样物质表示平均化学反应速率为：以不一样物质表示平均化学反应速率为：7第7页 t0 t0 t0对普通化学反应：
6、对普通化学反应：aA+bB=dD+eE瞬时速率：瞬时速率：t08第8页1.首先测定化学反应中某物质在不一样时刻浓度。首先测定化学反应中某物质在不一样时刻浓度。2.依据试验数据，画出浓度随时间改变曲线，即依据试验数据，画出浓度随时间改变曲线，即c-t曲线。曲线。3.在时间在时间t时，确定曲线上斜率绝对值，即为时，确定曲线上斜率绝对值，即为t时化学反应时化学反应速率。速率。比如：在比如：在340K时，将时，将0.160 mol N2O5放在放在1L容器中，测定其容器中，测定其浓度随时间改变试验数据以下表：浓度随时间改变试验数据以下表：N2O5分解反应速率（分解反应速率（340K）二、化学反应速率测
7、定方法二、化学反应速率测定方法9第9页以以c（N2O5）为纵坐标，）为纵坐标，t为横坐标，得为横坐标，得c-t图图 t(时间时间/min)反应物反应物N2O5浓度随时间改变曲线浓度随时间改变曲线0.1600.0400.1200.0800.0562.0斜率斜率=v（N2O5）=0 1 2 3 4N2O5浓度浓度/molL-110第10页第二节第二节 浓度对化学反应速率影响浓度对化学反应速率影响|一、反应机理一、反应机理|二、质量作用定律和速率方程二、质量作用定律和速率方程|三、反应级数三、反应级数 11第11页一、一、化学反应机理化学反应机理化学反应所经历路径叫做化学反应所经历路径叫做反应机理反
8、应机理（或（或反应历程反应历程）H 2 O 2+2H+2Br-=Br 2 +2H 2 O（1）H+H 2 O 2 =H 3 O 2+快反应快反应（2）H 3 O 2+Br-=H 2 O+HOBr 快反应快反应（3）HOBr+H+Br-=H 2 O+Br 2 慢反应慢反应12第12页化学反应速率快慢主要由反应速率最慢基元反应（称化学反应速率快慢主要由反应速率最慢基元反应（称为决速步骤）决定。为决速步骤）决定。由反应物分子一步就能转化为生成物分子反应称为由反应物分子一步就能转化为生成物分子反应称为基元反应。基元反应。一个化学反应只含有一个基元反应称为一个化学反应只含有一个基元反应称为简单反应。简单
9、反应。如：如：CO(g)+NO 2(g)=CO 2(g)+NO(g)由两个或两个以上基元反应组成化学反应称为由两个或两个以上基元反应组成化学反应称为非基元反应非基元反应或或复合复合(杂）反应杂）反应。13第13页质量作用定律：质量作用定律：在其它条件不变时，基元反应速率与各反在其它条件不变时，基元反应速率与各反应物以反应系数为指数浓度乘积成正比。应物以反应系数为指数浓度乘积成正比。CO(g)+NO2(g)=CO 2(g)+NO(g)v=kc(CO)c(NO2)a A+b B=c C+d Dv=kca(A)cb(B)注意：注意：质量作用定律只适合用于基元反应。质量作用定律只适合用于基元反应。二、
10、二、质量作用定律和速率方程质量作用定律和速率方程14第14页反应速率方程中百分比常数反应速率方程中百分比常数k称为速率常数。称为速率常数。k取决于反应本性，取决于反应本性，k值大小与反应活化能值大小与反应活化能E a相关，活化能越小，相关，活化能越小，k值越大，活化能越大，值越大，活化能越大，k值越小。值越小。k与浓度无关。与浓度无关。k随温度而变，通常温度升高，随温度而变，通常温度升高，k值增大。值增大。15第15页复合反应速率方程：复合反应速率方程：2N2O5(g)=4NO2(g)+O2(g)其速率方程为：其速率方程为：v=kc(N2O5)a A+b B=c C+d D其速率方程为：其速率
11、方程为：v=kcm(A)cn(B)例例3-1：有一化学反应：有一化学反应：aA+bB=C，在，在298K时，将时，将A、B溶液按不一样浓度混合，得到以下试验数据：溶液按不一样浓度混合，得到以下试验数据：16第16页求该反应速率方程及速率常数。求该反应速率方程及速率常数。解：解：由试验由试验1、2组数据及速率方程式得：组数据及速率方程式得：/得：得：m=117第17页同理可得：同理可得：n=2k=1.2 10-2 L2mol-2s-1三、三、反应级数反应级数反应物反应物A反应级数为反应级数为m，反应物，反应物B反应级数为反应级数为n，。m+n+称为该反应级数。称为该反应级数。18第18页反应级数
12、能够是整数，也能够是分数或是零。反应级数能够是整数，也能够是分数或是零。一级一级一级一级零级零级一些化学反应速率方程和反应级数一些化学反应速率方程和反应级数19第19页第第第第 三三三三 节节节节 温度对化学反应速率影响温度对化学反应速率影响温度对化学反应速率影响温度对化学反应速率影响 一、范特霍夫（一、范特霍夫（一、范特霍夫（一、范特霍夫（Vant hoffVant hoffVant hoffVant hoff）规则）规则）规则）规则 二、阿仑尼乌斯（二、阿仑尼乌斯（二、阿仑尼乌斯（二、阿仑尼乌斯（ArrheniusArrheniusArrheniusArrhenius）公式）公式）公式）公
13、式20第20页一、范特霍夫（一、范特霍夫（Vant hoffVant hoff）规则）规则范特霍夫依据大量试验事实归纳出一条近似范特霍夫依据大量试验事实归纳出一条近似规律：温度每升高规律：温度每升高1010C C，反应速率将大约增加，反应速率将大约增加到原来到原来2 24 4倍。倍。k(t+10)kt=r r=24式中，式中，kt和和k(t+10)分别表示某一化学反应在温分别表示某一化学反应在温度度t C C和和(t+10)C C时速率常数；时速率常数；r表示温度每升表示温度每升高高10 C C时反应速率增加倍数，称为温度系数，时反应速率增加倍数，称为温度系数，它能大致反应温度对反应速率影响程
14、度大小。它能大致反应温度对反应速率影响程度大小。21第21页假如温度升高是从假如温度升高是从t C C(t+10n)C,nC,n为为10 C C倍数，倍数，则则范特霍夫规则公式可写成：范特霍夫规则公式可写成：例：某一化学反应，当温度每升高例：某一化学反应，当温度每升高10 C C时，反应速率是原来时，反应速率是原来4倍倍(温度系数温度系数r=4)，当温度从，当温度从20 C C升高到升高到80 C C时，其反应速时，其反应速率提升了多少倍？率提升了多少倍？解：依据解：依据范特霍夫规则：范特霍夫规则：k(t+10 6)kt=r6=4096 提升了提升了4096倍倍依据依据范特霍夫规则能够粗略预计
15、化学反应随温度改变时反应范特霍夫规则能够粗略预计化学反应随温度改变时反应速率大小，但不能进行严格定量计算。速率大小，但不能进行严格定量计算。22第22页二、二、阿仑尼斯阿仑尼斯(Arrhenius)(Arrhenius)公式公式对于化学反应速率随温度改变定量关系，瑞对于化学反应速率随温度改变定量关系，瑞典化学家阿伦尼乌斯在典化学家阿伦尼乌斯在1889年提出一个经验年提出一个经验公式指出，化学反应速率常数与热力学温度公式指出，化学反应速率常数与热力学温度成以下指数关系：成以下指数关系：23第23页两边取对数后得：两边取对数后得：lnk=+lnA 或或：lgk=+lgA这个公式称为阿伦尼乌斯公式（
16、后两个称为对数这个公式称为阿伦尼乌斯公式（后两个称为对数形式阿伦尼乌斯公式）。式中形式阿伦尼乌斯公式）。式中k表示速率常数；表示速率常数；Ea为活化能；为活化能；R为理想气体常数；为理想气体常数；T为热力学温度；为热力学温度；A为指前因子或频率因子。指数为指前因子或频率因子。指数 本身无量本身无量纲。纲。A单位同单位同k。24第24页1.计算化学反应活化能计算化学反应活化能 测定了某化学反应在不一样温度测定了某化学反应在不一样温度T1、T2速度常数速度常数k1、k2，便可求得该反应活化能。，便可求得该反应活化能。lgk1=+lgA (1)lgk2=+lgA (2)(2)-(1)：lgk2-lg
17、k1=25第25页例例1 对以下反应：对以下反应：2NOCl(g)=2NO(g)+Cl2(g)经过试验测得：经过试验测得：T1=300K时，时，k1=2.810-5 Lmol-1s-1；T2=400K时，时，k2=7.010-1 Lmol-1s-1。求反应活化。求反应活化能和频率因子。能和频率因子。解：解：将将T1、T2、k1、k2试验数据代入公式：试验数据代入公式：E a =101 kJ mol-1 将将E a、T1、k1（或（或T2 和和 k2）代入公式：）代入公式：lgk =+lgAA=7.81012 Lmol-1s-126第26页2.计算不一样温度下速率常数计算不一样温度下速率常数例例
18、2 某化学反应活化能某化学反应活化能E a =114 kJ mol-1。在。在T1=600K时，试验测得时，试验测得k1=0.7510-5 Lmol-1s-1，据此，计算该化学，据此，计算该化学反应在反应在700K时速率常数。时速率常数。解：解：将试验数据代入公式：将试验数据代入公式：得：得：k2=20 Lmol-1s-1 27第27页第四节第四节 反应速率理论介绍反应速率理论介绍 一、有效碰撞理论一、有效碰撞理论 二、过渡状态理论二、过渡状态理论28第28页一、一、有效碰撞理论有效碰撞理论 发生化学反应必要条件是反应物分子间必须进行碰撞。发生化学反应必要条件是反应物分子间必须进行碰撞。只有少
19、数碰撞能够发生化学反应，这种能发生化学反应只有少数碰撞能够发生化学反应，这种能发生化学反应 碰撞称为碰撞称为有效碰撞有效碰撞。能够发生有效碰撞分子称为能够发生有效碰撞分子称为活化分子活化分子。1.活化分子百分数活化分子百分数 化学反应速率与活化分子百分数成正比。化学反应速率与活化分子百分数成正比。29第29页2.活化能活化能 普通分子变成活化分子最少吸收能量称为普通分子变成活化分子最少吸收能量称为活化能活化能。E E a AE E*能量能量 分子能量分布曲线分子能量分布曲线含有一定能量分子百分数含有一定能量分子百分数/%同一化学反应，在同同一化学反应，在同一温度下，分子能量分布一温度下，分子能
20、量分布曲线是一定，活化分子百曲线是一定，活化分子百分数也是一定；同一反应分数也是一定；同一反应在不一样温度下，分子能在不一样温度下，分子能量曲线是不一样，活化分量曲线是不一样，活化分子百分数也不相同，不过，子百分数也不相同，不过，化学反应中活化分子所含化学反应中活化分子所含有最低能量有最低能量E*不随温度而不随温度而变。变。E a=E*-E 30第30页活化能特征：活化能特征：1.活化能大小由化学反应本性决定。温度改变对活化能活化能大小由化学反应本性决定。温度改变对活化能影响幅度很小，普通不予考虑。催化剂对活化能影响幅度影响幅度很小，普通不予考虑。催化剂对活化能影响幅度较大，这主要是催化剂加入
21、改变了化学反应机理缘故。较大，这主要是催化剂加入改变了化学反应机理缘故。2.活化能大小对化学反应速度起着决定性作用。活化活化能大小对化学反应速度起着决定性作用。活化能越小，反应速率越大；活化能越大，反应速率越小。能越小，反应速率越大；活化能越大，反应速率越小。二、过渡状态理论二、过渡状态理论(又称为活化配合物理论）又称为活化配合物理论）基本关键点基本关键点：当两个含有足够能量反应物分子相互碰撞时，：当两个含有足够能量反应物分子相互碰撞时，分子化学键要经过重排，能量要经过重新分配，首先形分子化学键要经过重排，能量要经过重新分配，首先形成一个过渡状态活化配合物，然后含有较高能量活化成一个过渡状态活
22、化配合物，然后含有较高能量活化配合物不稳定，很快分解，实现从反应物分子变为产物分配合物不稳定，很快分解，实现从反应物分子变为产物分子转化。子转化。31第31页CO(g)+NO 2(g)CO 2(g)+NO(g)673K整个反应可表示为：整个反应可表示为：CO(g)+NO 2(g)ON O CO CO 2(g)+NO(g)吸收能量吸收能量 放出能量放出能量放出能量放出能量 吸收能量吸收能量势能势能反应过程反应过程E a正正E a逆逆QCO+NO 2CO 2+NOABEAEBE*O CO O N 反应要经过三个过程反应要经过三个过程:1.反应物分子必须发生定向碰撞反应物分子必须发生定向碰撞，才有可
23、能形成活化配合物。，才有可能形成活化配合物。2.含有较高能量分子在碰撞过程含有较高能量分子在碰撞过程中将动能转变为势能，形成活化配中将动能转变为势能，形成活化配合物。活化配合物极不稳定，能迅合物。活化配合物极不稳定，能迅速分解。速分解。3.活化配合物既能够分解为产物活化配合物既能够分解为产物分子也可分解为反应物分子。分子也可分解为反应物分子。32第32页第五节第五节 催化作用催化作用一、催化剂和催化作用一、催化剂和催化作用一、催化剂和催化作用一、催化剂和催化作用 二、催化作用特点二、催化作用特点二、催化作用特点二、催化作用特点三、均相催化和非均相催化三、均相催化和非均相催化三、均相催化和非均相
24、催化三、均相催化和非均相催化zzz（1 1 1 1）均相催化反应）均相催化反应）均相催化反应）均相催化反应 zzz（2 2 2 2）多相催化反应）多相催化反应）多相催化反应）多相催化反应 四、酶催化反应四、酶催化反应四、酶催化反应四、酶催化反应33第33页一、催化剂和催化作用一、催化剂和催化作用 凡能加紧化学反应速率而本身组成、质量和化学性质凡能加紧化学反应速率而本身组成、质量和化学性质在反应前后基本保持不变物质。在反应前后基本保持不变物质。1.催化作用原理催化作用原理 催化剂改变了化学反应机理，催化剂与反应物中一个催化剂改变了化学反应机理，催化剂与反应物中一个或几个物质作用，首先生成中间化合
25、物，而这种中间化合或几个物质作用，首先生成中间化合物，而这种中间化合物又与另外反应物作用或本身分解，重新释放出催化剂并物又与另外反应物作用或本身分解，重新释放出催化剂并形成新产物。形成新产物。A+K AKAK+B AB+K34第34页 A BEa E1 E2 Ea AB+KA+B+K能量能量反应过程反应过程图图3-4 非催化反应与催化反应非催化反应与催化反应活化能比较活化能比较A+K AKAK+B AB+K催化作用原理催化作用原理：因为催化剂加入因为催化剂加入，改变了化学反应机，改变了化学反应机理，降化了反应活理，降化了反应活化能，从而加紧了化化能，从而加紧了化学反应速率。学反应速率。35第3
26、5页2.催化剂特点催化剂特点催化剂只能改变反应速率，不能改变反应方向。催化剂只能改变反应速率，不能改变反应方向。催化剂含有高选择性。催化剂含有高选择性。O催化剂含有高效性催化剂含有高效性36第36页二、催化作用类型二、催化作用类型1.均相催化反应均相催化反应NO(g)H+(aq)2.多相催化反应（复相催化反应）多相催化反应（复相催化反应）Fe(s)3.酶催化反应酶催化反应37第37页38第38页一、判断题：一、判断题：1.对全部化学反应，反应速率大小都与反应物浓度有对全部化学反应，反应速率大小都与反应物浓度有关。（关。（）2.浓度对化学反应速率影响，主要是影响活化分子百浓度对化学反应速率影响，
27、主要是影响活化分子百分数。（分数。（）3.升高温度，可使正、逆反应速率同时加紧，但加紧升高温度，可使正、逆反应速率同时加紧，但加紧倍数不一样。（倍数不一样。（）4.化学反应速率方程式可按照化学反应方程式直接写出化学反应速率方程式可按照化学反应方程式直接写出。（。（）5.催化剂既能降低正反应活化能，也能够降低逆反应催化剂既能降低正反应活化能，也能够降低逆反应活化能。（活化能。（）39第39页6.催化剂选择性在于它改变了化学反应始、终态。催化剂选择性在于它改变了化学反应始、终态。（）7.反应级数不一样化学反应，其速率常数单位也不相同反应级数不一样化学反应，其速率常数单位也不相同。（。（）8.当当E
28、a,正正 Ea,逆逆时，该反应为吸热反应。（时，该反应为吸热反应。（）9.化学反应级数等于反应方程式中反应物计量系数之化学反应级数等于反应方程式中反应物计量系数之和。（和。（）40第40页二、选择题：二、选择题：1.某化学反应在某化学反应在700K时速率常数为时速率常数为20 Lmol-1 s-1，则该，则该反应一定是（反应一定是（）。）。A 零级反应零级反应 B 一级反应一级反应 C 二级反应二级反应 D 三级反应三级反应C2.某一反应方程式中，若反应物系数刚好是速率方程中某一反应方程式中，若反应物系数刚好是速率方程中积各物质指数，则该反应（积各物质指数，则该反应（）。）。A 一定是基元反应
29、一定是基元反应 B 一定不是基元反应一定不是基元反应C 不一定是基元反应不一定是基元反应3.已知反应已知反应 A（g）+2B（g）C（g）速率方程为）速率方程为v=kc(A)c2(B)。以下情况中反应速率最大应是（。以下情况中反应速率最大应是（）。）。A A浓度减半浓度减半 B B浓度减半浓度减半C A、B浓度各减半浓度各减半CA41第41页4.以下反应属均相催化反应是（以下反应属均相催化反应是（），属多相催化），属多相催化反应是（反应是（）。）。BA、C5.基元反应基元反应 A+B=C，若，若c（A）增加一倍，则）增加一倍，则v亦增加亦增加一倍，这是因为（一倍，这是因为（）。）。A.Ea减小
30、一倍减小一倍 B.有效碰撞增加一倍有效碰撞增加一倍C.k增加一倍增加一倍 D.反应物能量增加一倍反应物能量增加一倍B42第42页6.简单反应简单反应 2A+B=D，其速率方程式为（，其速率方程式为（）。）。A.v=kc2(A)c(B)B.v=kc2(A)C.v=kc(D)D.v=kc2(A)c(B)c(D)-1A43第43页填空题：填空题：1.对于反应对于反应A+2B C，正反应活化能为，正反应活化能为Ea，逆反应，逆反应活化能为活化能为Ea，且，且Ea Ea，则正反应为，则正反应为 ；逆反应为逆反应为 ；当升高反应温度时，；当升高反应温度时，Ea 和和Ea 将将 ；当加入催化剂时，；当加入催
31、化剂时，Ea和和Ea 将将 ；当增大反应物当增大反应物A、B浓度时，浓度时，Ea将将 。放热反应放热反应吸热反应吸热反应降低降低不变不变不变不变2.NO2-和和I-在酸性溶液中按下式反应：在酸性溶液中按下式反应：2NO2-+4H+2I-=I2+2NO+2H2O依据试验导出反应速率方程为依据试验导出反应速率方程为 v=kc(NO2-)c(I-)c2(H+)若若H+和和I-浓度不变，使浓度不变，使NO2-浓度加倍，则反应速率为原浓度加倍，则反应速率为原来倍来倍 ；若；若I-和和NO2-浓度不变，使浓度不变，使H+浓度加倍，则浓度加倍，则反应速率为原来反应速率为原来 倍；若倍；若I-和和NO2-浓度
32、不变，使浓度不变，使H+浓度减半，则反应速率又是原来浓度减半，则反应速率又是原来 倍。倍。241/444第44页3.普通认为，催化剂普通认为，催化剂 反应，反应，反应反应路径，路径，活化能，活化能，反应速率。反应速率。参加参加改变改变降低降低改变（提升）改变（提升）4.对于反应对于反应 W（g)X(g)+Y(g)，增加，增加W浓度时，活浓度时，活化分子百分数化分子百分数 ，速率常数，速率常数k ：当升高温：当升高温度时，活化分子百分数度时，活化分子百分数 ；速率常数；速率常数k ；当使用正催化剂时，活化分子百分数当使用正催化剂时，活化分子百分数 ，速率常数，速率常数 。不变不变不变不变增加增加增加增加增加增加增加增加5.简单反应简单反应 A=B+C，反应速率方程为，反应速率方程为 ，反应级数为反应级数为 。若分别以。若分别以A、B两种物质表示该反应两种物质表示该反应反应速率，则反应速率，则va与与vb 。v=kc(A)1相等相等45第45页