第四章化学反应速率和化学平衡.doc

1第四章化学反应速率和化学平衡不同的化学反应,进行的快慢千差万别。研究化学反应速率的目的,就是要找出有关反应速率的规律并加以利用。如合成氨,人们总是希望氢气与氮气反应的速率越快越好,以便提高劳动生产率。一些对人类不利的化学反应,如铁的生锈、金属的腐蚀、食物的变质、染料的褪色、橡胶和塑料的老化等,人们总是希望反应速率越慢越好。因此,研究化学反应速率问题对生产实践及人类的日常生活具有重要的现实意义。研究化学反应速率的科学称为化学动力学(chemi i cs),它主要研究化学反应速率的理论,反应机理以及影响反应速率的因素。本章将介绍化学动力学的基本知识,讨论化学反应速率及浓度、温度和催化剂对反应速率的影响;还将介绍化学平衡常数的概念,讨论化学平衡移动的规律。第一节化学反应速率及其表示方法化学反应速率是指在一定条件下,化学反应物转化为生成物的速率,可用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。一、平均速率(averagespeed)平均速率:tCVtCV???????产物反应物或(4. 1)△C表示某物质在△t时间内浓度的变化量,单位常用mol·L?1;△t表示时间的变化量,根据实际需要,单位常用秒(s)、分(mi n)或时(h)等;V是用某物质浓度变化表示的平均速率。如反应:2N2O5(g)═4NO2(g)+O2(g)反应起始时N2O5(g)浓度为1. 15mol·L?1,100s后测得N2O5(g)浓度为1. 0mol·L?1,则反应在100s内的平均速率为:)ON(??????????????????tcV如果用生成物NO2(g)或O2(g)浓度的变化来表示平均速率:)2/()NO(???????????????)2/()O(???????????????tcV由计算可知,分别用三种物质浓度的变化表示该反应速率的数值各不相等,这是因为它们的计量系数不相等而引起的。至于用哪一种物质浓度的变化来表示反应速率,其实没有关系。因为一种物质浓度变化必然引起其它物质的浓度发生相应的变化,通常用容易测定的那一种物质浓度的变化来表示。参加同一反应的各物质的反应速率表达式之间存在一定的关系。如上述三种物质表示的反应速率之间有下列关系:tctctc?????????)O()NO(41)ON(212252若推广到一般化学反应:mA+nB═pC+qD也可得出如下关系:tcm?????????????)D(1)C(1)B(1)A(1(4. 2)因此,表示反应速率时,必须注明用哪一种物质浓度的变化来表示的。互相换算时,要注意反应式中计量系数之间的关系。二、瞬时速率(instantaneousspeed)化学反应过程中,反应物的浓度在不断变化,每时每刻的反应速率是不同的,所以用瞬时速率表示反应速率更能说明反应进行的真实情况。在定容条件下,化学反应的瞬时速率V应为△t趋近于零时反应物浓度的减少或生成物浓度的增加。3瞬时速率:dtdCVdtdCV产物反应物或???(4. 3)反应速率可以由实验中测出不同时刻的浓度,然后通过作图法求得不同时刻的瞬时速率。[例4?1]温度为318K时,N2O5分解,其反应为:2N2O5(g)→4NO2(g)+O2(g)测定的实验数据如下:t / min0102030405060708090C(N2O5)/ 10?2(m o l·L?1)1. 240. 920. 680. 500. 370. 280. 200. 150. 110. 08计算反应第23分钟时的瞬时速率。解:在C?t曲线上各点的斜率就是该时刻的瞬时速率。23分钟时的瞬时速率为:直线的斜率=????=1. 91×10?4V(N2O5)=1. 91×10?4mol·L?1·mi n?1如果以NO2或O2的浓度变化来表示反应速率,则分别为:V(NO2)=2V(N2O5)=3. 82×10?4mol·L?1·mi n?1V(O2)=12V(N2O5)=0. 96×10?4mol·L?1·mi n?1第二节化学反应速率理论化学反应的速率千差万别,有的快到瞬间完成,如火药的爆炸,水溶液中酸碱的反应等;有的则很慢,以至察觉不出有变化,。为了说明这些问题,必须讨论化学反应是如何发生的,如何由反应物转变成产物的,这就是化学反应速率理论。现在较为流行的速率理论是碰撞理论和过渡态理论。早在1918年,路易斯(. M. Lewi s)