物理化学化学动力学

第7部分化学动力学化学动力学的任务和目的化学反应速率表示法化学反应的速率方程具有简单级数的反应温度对反应速率的影响链反应催化反应动力学化学热力学的研究对象与局限性化学动力学的研究对象化学动力学发展概况化学动力学的任务和目的化学热力学的研究对象与局限性化学热力学主要研究反应的方向、限度和外界因素对平衡的影响。解决反应的可能性，即在给定条件下反应能不能发生，及反应进行的程度。化学热力学只能预测反应的可能性，但无法预料反应的速率和反应的机理，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。22322213NHNH(g)221HOHO(l)21rm/kJmol16.63237.19G$了解反应速率；讨论各种因素（浓度、压力、温度、介质、催化剂等）对反应速率的影响；研究反应机理、讨论反应中的决速步等，把热力学的反应可能性变为现实性。例如：化学动力学的研究对象22322213NHNH(g)221HOHO(l)2需一定的T，p和催化剂加温或催化剂1850年：人们提出浓度与反应速率的关系。化学动力学发展概况十九世纪末：范霍夫、阿仑尼乌斯讨论了反应速率与温度的关系。目前：动力学的研究已从宏观动力学的研究进入到态-态反应动力学的研究。二十世纪：化学动力学、催化等有了新的发展，特别是许多新技术如：激光、交叉分子束、计算机等用于动力学的研究。反应速率反应速率的测定化学反应速率表示法通常的反应速率都是指定容反应速率，定义为：对任何反应：A+BD+Eabde→ABDEdddd1111ddddccccratbtdtetBBdd1()ddnttBBd/1dnVt1ddrVtd1dBBct反应速率(Rateofreaction)确立一个反应的速率，就必须测定不同时刻的反应物或产物的浓度，即测定反应中各物质浓度随时间的变化关系。这需要绘制动力学曲线。测定不同时刻各物质浓度的方法有：反应速率的测定(1)化学方法:不同时刻取出一定量反应物，设法用骤冷、冲稀、加阻化剂、除去催化剂等方法使反应立即停止，然后进行化学分析。(2)物理方法:用各种物理性质测定方法(旋光、折射率、电导率、电动势、粘度等)或现代谱仪(IR、UV-VIS、ESR、NMR、ESCA等)监测与浓度有定量关系的物理量的变化，从而求得浓度变化。速率方程基元反应反应分子数反应机理质量作用定律反应级数反应的速率系数反应分子数与反应级数的区别化学反应的速率方程速率方程又称动力学方程。它表明了反应速率与浓度等参数之间的关系或浓度等参数与时间的关系。速率方程分为微分式和积分式。速率方程(Rateequationofchemicalreaction)基元反应简称元反应，凡分子、原子、离子、自由基等直接碰撞，一步实现的反应叫基元反应。如基元反应:2222ClM2ClMClHHClHHClHClCl2ClMClM--325325CHCOOCH+OHCHCOO+CHOH→基元反应(Elementaryreaction)反应分子数：是指在基元反应过程中参与反应的粒子(分子、原子、离子、自由基等)的数目。根据反应分子数可以将化学反应分为单分子反应，双分子反应，三分子反应，三分子以上的反应目前还未发现。反应分子数(Molecularityofreaction)单分子反应2I2I→33242CHCOCHCH+CO+H→双分子反应122211261266126CHO+HOCHO+CHO→蔗糖葡糖果糖2222NO+O2NO→三分子反应是很少见，大多与NO有关。反应机理又称为反应历程。在总反应中，连续或同时发生的所有基元反应称为反应机理，在有些情况下，反应机理还要给出所经历的每一步的立体化学结构图。同一反应在不同的条件下，可有不同的反应机理。了解反应机理可以掌握反应的内在规律，从而更好的调控反应。反应机理(Reactionmechanism)简单反应：一步能够完成的反应叫简单反应，简单反应由一个基元反应组成。简单反应本身是由一个基元反应组成，故质量作用定律可直接用于简单反应。反应机理的分类复杂反应：由两个或两个以上的基元反应组成的反应，质量作用定律不能直接应用，但质量作用定律可直接应用于每一基元反应。对于基元反应，反应速率与反应物浓度的幂乘积成正比。幂指数就是基元反应方程中各反应物的系数。这就是质量作用定律，它只适用于基元反应。质量作用定律(Lawofmassaction)212222232224(1)ClM2ClM[Cl][M](2)ClHHClH[Cl][H](3)HClHClCl[H][Cl](4)2ClMClM[Cl][M]kkkk例如：基元反应反应速率r速率方程中各反应物浓度项的指数称为该反应物的反应级数；所有浓度项指数的代数和称为该反应的总级数，通常用n表示。n的大小表明浓度对反应速率的影响程度；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,称为无级数反应；反应级数是由实验测定的。反应级数(Orderofreaction)例如01/2[A][A][B][A][B]/(1[B])rkrkrkrk零级一级对A、B各为一级，反应为二级无级数反应速率方程中的比例系数k称为反应的速率系数。其物理意义：参加反应的物质浓度均为单位浓度(1mol·dm-3)时的反应速率的数值，k的大小与反应物的浓度无关，但与反应的本性、温度、溶剂、催化剂等有关；k的大小可以代表反应的速率，表示反应的快慢、难易；k的单位为：[浓度]1-n时间-1，即(mol·dm-3)1-n·s-1，k的单位随着反应级数的不同而不同。反应的速率系数(Ratecoefficientofreaction)对于气相反应A+BG+Habgh→若pB=cBRT，推证kp与kc的关系.由（1）和（2）式可得AABddcckcct(1)AABddppkppt(2)1npckkRT反应分子数与反应级数的区别(1)意义不同：反应级数是浓度方次的加和，反应分子数是参加基元反应的反应物的粒子数目。(2)适用的范围不同：反应级数用于简单反应、复杂反应在内的宏观化学反应，反应分子数适用于基元反应所对应的微观化学变化。(3)取值不同：反应级数可以为0、1、2、3、分数、负数，而且对指定反应，反应级数可依反应条件变化而改变。反应分子数只能为1、2、3，对指定的基元反应为固定值。(4)对于简单反应来说，反应分子数和反应级数不一定一样，如蔗糖水解是双分子反应，但为一级反应。(6)速率方程不能写为形式的复杂反应，无级数可言。AABddcckcct(5)简单级数反应不一定有简单的机理；一种级数关系不一定只有一种可供解释的机理。（7）基元反应有一定的分子数，对复杂反应无一定分子数可言。(8)通过上述讨论可以看出：反应级数不一定等于反应分子数；反应级数不一定是简单正整数；反应级数不一定等于最慢步的分子数；反应级数不一定明确体现在速率方程中；反应级数不一定显示于浓度项中；反应级数不一定与计量系数一致。具有简单级数的反应简单级数反应动力学n级反应反应级数的确定一级反应(Firstorderreaction)HeRnRa422228622688Ra226881kr凡反应速率与反应物浓度一次方成正比的反应称为一级反应。常见的一级反应有放射性元素的蜕变、分子重排、五氧化二氮的分解等。24252O21ONON521ONkr一级反应的微分速率方程Differentialrateequationoffirstorderreaction反应APAttcaxxA,000tcaA1Addcrkct1ddxrkaxt或一级反应的积分速率方程Integralrateequationoffirstorderreaction定积分式A0A10AddctccktcA,01AlncktcA,01A1lncktcA,1AA,0ektcc1lnaktax11lnaktax1()ektaxa不定积分式A1lnBckt或10dxaxktax1lnBaxkt或若令y为时间t时，反应物已反应的分数xya则1d11dayrkayt100d1d1ytykty11ln1kty111ln1kty或lncA～t成直线关系，斜率=-k1；一级反应的特点动力学将反应物消耗了一半所需的时间称为反应的半衰期，用t1/2表示，一级反应的半衰期与反应物的初始浓度无关；A,011A1121ln20.693lnctkckkk1的单位为“s-1”；将各组c～t对应的数据代入积分式计算k1，对一级反应来说k1应基本为一常数。（1）放射性元素的蜕变反应均为一级反应，例如226222488862RaRn+He→（2）N2O5的热分解反应252421NO=NO+O2（3）分子重排反应，如顺丁烯二酸转化为反丁烯二酸（4）蔗糖的水解反应+3HO122211261266126CHO+HOCHO+CHO一级反应的实例二级反应(Secondorderreaction)凡反应速度与反应物浓度的二次方（或两种物质浓度的乘积）成正比的反应，称为二级反应。222(1)ABP[A][B](2)2AP[A]rkrk二级反应的类型有：二级反应的微分速率方程Differentialrateequationofsecondorderreaction2d()()dxkaxbxt(1)ABP00tabtta-xb-xx22ddxkaxt当a=b时：Integralrateequationofsecondorderreaction21/221()1yxtkatyakya2200dd()xtxktax定积分式211ktaxa不定积分式22dd()xktax21ktax常数二级反应的积分速率方程(若a=b)二级反应的特点与t成线性关系；1ax速率系数k的单位为(mol·dm-3)-1·s-1半衰期与反应物起始浓度成反比1221tka将不同时刻的x～t代入二级反应积分式得一系列k2基本为一常数；对二级反应，r=k2cAcB，若某一反应物大大过量，则二级反应转化为一级反应。二级反应实例（1）乙烯、丙烯、异丁烯的二聚作用（2）乙酸乙酯的皂化反应（3）碘化氢、甲醛的热分解反应等三级反应(Thirdorderreaction)凡是反应速率与反应物浓度的三次方成正比的反应。A+B+C→P2A+B→P3A→P有下列三种形式三级反应的微分速率方程DifferentialrateequationofthirdorderreactionA+B+CPt=0abc0t=t(a-x)(b-x)(c-x)x3d()()()dxkaxbxcxt33()(==)kaxabcIntegralrateequationofthirdorderreaction定积分式3300dd()xtxktax3221112()ktaxa232(2)2()(1)yyxkatyyay=1/2123232tka不定积分式3332d1d()2()xktktaxax常数三级反应的积分速率方程三级反应(a=b=c)的特点速率系数k3的单位为(mol·dm-3)-2·s-1。半衰期1/22332tka与t呈线性关系21()ax22NO+C12NOC1→(1)气相反应中仅知有五个反应属于三级反应，而且都和NO有关，这五个反应分别是两个分子的NO与一个分子的C12、Br2、O2、H2、D2的反应，它们分别是：22NO+Br2NOBr→三级反应实例(2)溶液中FeSO4的氧化(水中)；Fe3+与I-的作用。2222NO