09第九章化学动力学基本原理ChemKinetics物理化学课件.pptx
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- 09 第九 化学 动力学 基本原理 ChemKinetics 物理化学 课件
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1、09第九章 化学动力学基本原理 ChemKinetics 物理化学课件Explosions are rapid,occurring in seconds or fractions of second;Corrosion can take years.1.化学动力学的任务和目的 化学热力学解决化学反应的方向和限度;化学动力学研究化学反应的速率和机理。Rate and Mechanism它的基本任务是研究各种因素(如反应系统中各种物质的浓度、温度、催化剂、光、介质、等)对反应速率的影响,揭示化学反应发生的具体过程(即反应机理),研究物质的结构与反应性能的关系(即构效关系)。一百多年来,化学动力学的
2、发展主要历经了三个重要发展阶段:宏观反应动力学、基元反应动力学和微观反应动力学。宏观反应动力学宏观反应动力学阶段大体上是从19世纪中叶到20世纪初,主要通过改变温度、压力、浓度等宏观条件,研究外界条件对反应速率的影响,其主要标志性成果是质量作用定律和阿累尼乌斯公式。基元反应动力学基元反应动力学阶段大体上从20世纪初至20世纪50年代。这是动力学研究从宏观向微观过渡的重要阶段。这一阶段建立了一系列反应速率理论,发现和研究了链反应,建立了快速化学反应研究方法和同位素示踪法。微观反应动力学微观反应动力学阶段主要从50年代以后,可以在电子、原子和分子层次上研究化学反应。化学动力学研究结果表明下列反应H
3、2+Cl2 2HCl其机理为(1)Cl2 2Cl (2)Cl+H2 HCl+H (3)H+Cl2 HCl+Cl (4)2Cl+M Cl2+M对于基元反应,直接作用所必需的反应物微观粒子(分子、原子、离子、自由基)数,称为“反应分子数”(molecularity)。基元反应可分为:单分子反应(unimolecular reaction)双分子反应(bimolecular reaction)三分子反应(termolecular reaction)。1.反应速率的表示法以反应进度随时间的变化率来定义反应速率J,或对于任意化学反应 aA+bB gG+hH dJdtdtdnJBB1GABH1111dnd
4、ndndnJadtbdtgdthdt 对于体积一定的密闭系统,人们常用单位体积的反应速率r,即对任意化学反应 BBBBB1111BdndcJddrVV dtVdtdtdt ABGH1111ddddradtbdtgdthdt It is recommended that the unit of time should always be the second.The symbol v(without lettered subscript)should be used only for rate of reaction;v with a lettered subscript(e.g.vA)refe
5、rs to a rate of appearance or rate of disappearance(e.g.of the chemical species A).2.反应速率的实验测定(1)化学法。(2)物理法。3.反应速率的经验表达式反应速率r与各物质浓度cB的函数关系 rf(cB)或者各物质浓度cB与时间t的函数关系 cBf(t)都称为反应速率公式。前者是微分形式,后者是积分形式。反应速率公式的形式通常只能通过实验方可确定。4.反应级数(Order of reaction)许多反应的速率公式可表达为下列形式 r=kAB (9.6)、分别称为各组分A、B、的级数,而各指数之和n称为总反应
6、的级数。即 n=+例如反应H2+I2 2HI,其速率公式为 r=kH2I2故称为二级反应,而对于H2和I2来说则均为一级。反应级数n可为任意整数或分数。5.质量作用定律(The law of mass action)基元反应的速率只与反应物浓度有关,其速率公式的微分形式均符合(9.6)式形式,而且式中浓度项的指数、均与反应方程式中相应反应物的计量数相同。例如,有基元反应aA+bB gG+hH其反应速率公式可表示为r=kAaBb这种简单的关系称为“质量作用定律”。6.速率常数(9.6)式中的比例系数k称为反应的“速率常数”。k值与浓度无关而与反应的温度及所用的催化剂有关。(i)k在数值上等于单位
7、浓度的瞬时速率;(ii)k是有单位的量,其单位与反应级数n有关。313 113/mol dms/(mol dm)sA B/(mol dm)nnrk凡是反应速率只与反应物浓度有关,而且反应级数,无论是、或n都只是零或正整数的反应,统称为“简单级数反应简单级数反应”。1.一级反应反应速率与反应物浓度的一次方成正比的反应称为一级反应一级反应。积分得,1dck cdt01lnck tc或者以lnc对t作图应得一直线 011lncktc10k tcc e33CH NCCH CN(a)time dependent concentration of reactant;(b)straight line of
8、lnctisomerization of methyl isonitrile to acetonitrile(乙腈)反应物浓度由c0消耗到c=c0/2所需的反应时间,称为反应的半衰期半衰期(half life time),以t1/2表示可见,一级反应的半衰期与反应物起始浓度c0无关。1/21110.6932ln2tkk Half life does not depend upon the concentration for first-order reaction 根据这些放射性同位素衰变的动力学特征和其残余量,就可以推断物体的年龄,称为“同位素断代法”,在地质、考古等领域有重要应用。例例:已
9、知14C的t1/2=5730年,现有出土文物,其木器所含14C仅为当今树木的72%,试求该文物的年代。解:k1=ln2/t1/2=0.693/5730=0.0001209年-1 t=(1/k1)lnCA0/CA =(1/0.0001209)ln(CA0/0.72CA0)=2716年一级反应的四个特点(1)lnct为直线关系(2)半衰期与初始浓度无关(3)速率常数的单位为:时间-1(4)一级反应可以写成 dt时间间隔内反应掉的分数为常数,与浓度无关。-=dcckdt例题例题1 30时N2O5在CCl4中的分解反应为一级反应,由于N2O4和NO2均溶于CCl4中,只有O2能逸出,用量气管测定不同时
10、刻逸出O2的体积有下列数据:求算此反应的速率常数k1和半衰期t1/2。N2O5N2O4O22NO212+解解 一级反应的特点是速率常数k的数值与所用浓度单位无关,因此用任何一种与N2O5的浓度成正比的物理量来代替浓度都不会影响k的数值。所以可以用逸出O2的体积来求算k的值。因为每产生一个O2分子一定有两个N2O5分子分解,因此逸出O2的体积与N2O5的浓度有一定的比例关系。最后逸出O2的总体积V是指N2O5全部分解后的体积,故可用来表示N2O5的起始浓度c0,设V为t时刻逸出O2的体积,则VV就代表尚未分解的N2O5的浓度c,于是(9.10)式可写为 01lnck tc利用题中所给数据求出(V
11、V)与k1的数值如下:取平均值,k18.1610-5 s-1.用(9.12)式求得11lnVktVV31/210.69328.50 10 stkt/s 0 2400 4800 7200 9600 12000 14400 16800 19200 V(O2)/cm3 0 15.65 27.65 37.70 45.85 52.67 58.30 63.00 66.85 84.85(VV)/cm3 84.85 69.20 57.20 47.15 39.00 32.18 26.55 21.85 18.00 0.00 105k1/s-1 8.50 8.22 8.16 8.10 8.08 8.07 8.08
12、8.08 2.二级反应 有两种类型:(i)2A 产物 (ii)aA+bB 产物反应(i)The units of k for second-order reaction are m3 mol-1 s-1.The plot of 1/cA against t is a straight line.2AAdckcdt,020/AActAAcdcckdt,011AAktcc Using percent conversion of reactant A,we have,011AAAxktcx1/2,01Atkc,0,0,0,0,0,0,0,0/1111/1AAAAAAAAAAAAAAAcccccxkt
13、ccc cccccx对反应(ii),aA+bB 产物。当A和B的起始浓度相等且a b时,则任何时刻 cA=cB与反应(i)相同。积分得,0,01111或者AAAAAxktktcccx2AAdckcdt If ab,but two initial concentrations are satisfied with cA,0/a=cB,0/b,then cA/a=cB/b at any time.22AAABAAAAdcbk c ck ck cdta22BBABBBBBdcak c ck ck cdtb If ab and cA,0cB,0,the reaction can be rewritte
14、n as where q=b/a,indicating that q moles of B react with each mole of A.let x be the number of moles of A per cubic decimeter of volume that has reacted with B by time t.A+BPq,0,0()()ABdxk cx cqxdt A and B are constants to be evaluated 00,0,0()()xtABdxkdtktcx cqx,0,0,0,01()()ABABABcxcqxcx cqx,0,0()(
15、)1BAA cqxB cx,0,01(=0)0(=1)BAcAcBxqABx We find by solving A and B that Substituting A and B into equations If q=b/a=1,the equation becomes,0,0,0,01BABAqABcqccqc,0,0,0,0,0,0()1ln()ABBABAccqxktcqcccx,0,0,0,0,0,0()1ln()ABBABAccxktccccx1/22A,01tk c 例题例题2 乙醛的气相分解反应为二级反应在定容下反应时系统压力将增加。在518时测量反应过程中不同时刻t定容器
16、皿内的总压力p,得下列数据:试求此反应的速率常数。CH3CHOCH4CO+解解 先找出器皿中压力与反应物浓度的关系。设起始压力为p0,在t时刻乙醛的压力降低x,此时乙醛的分压应为p0 x,由于乙醛压力降低x的同时,CH4和CO的压力各增加了x,故器皿中总压力应为p=p0 x+x+x=p0+x因此,x=p p0 由于气相中各物质的浓度与其分压成正比,将此代入二级反应动力学公式即得利用题中数据可得k2的平均值为:k25.0110-5kPa-1s-1002AA,000001=()(2)ppppxkt c ctppxtppp3.三级反应和零级反应三级反应比较少见。零级反应见于一些光化学反应及一定条件下
17、的复相催化反应。测定反应级数的常用方法有积分法、微分法、孤立法等。1 积分法(Integration method)此法就是利用速率公式的积分形式来确定反应级数。可分为以下三种:(1)尝试法。将数据代入不同速率公式,看哪个求出的k值为常数。(2)作图法。(3)半衰期法。对一级反应,以lnc对t作图应得直线;对二级反应,以1/c对t作图应得直线;对三级反应,以1/c2对t作图应得直线;对零级反应,以c对t作图应得直线。下面看例题4。(略)例题例题4 乙酸乙酯在碱性溶液中的反应如下:在25条件下进行反应,两种反应物初始浓度a均为0.064moldm-3。不同时刻取样25.00cm3,立即向样品中加
18、入25.00cm3 0.064 moldm-3的盐酸使反应“冻结”。多余的酸用0.1000moldm-3的NaOH溶液滴定,所用碱液列于下表:(1)用尝试法求反应级数及速率常数;(2)用作图法求反应级数及速率常数。CH3COOC2H5OH+CH3COO+C2H5OH解解 设t时刻反应掉的反应物浓度为x。根据题意可得25.00 cm 3 x=0.100 moldm-3 V(OH)(1)尝试法。计算出所需数据列于下表:将第二及第六对数据分别代入一级反应公式 3-325.00cm)OH(cmmol1000.0Vx12110.064lnmin8.90 10min50.041k12110.064lnmi
19、n3.57 10min550.009k13113110.023moldmmin1.75moldmmin50.064 0.041k13113110.55moldmmin1.74moldmmin55 0.064 0.009k(2)作图法 列出数据如下:以1n(ax)对t作图,不为直线,知不是一级。作1/(ax)对t图得一直线,所以n2。由斜率可得k(111.115.6)/55 mol-1dm3min-1=1.73 mol-1dm3min-1图见下页。(3)半衰期法。对n(n1)级反应:t1/2=k a 1n 其中k为比例系数,a为起始浓度。取对数有 1n t1/21nk+(1 n)1n a以ln
20、t1/2对 lna作图应为一直线,由其斜率可以得到反应级数n。另外,当有两组a和t1/2数据时,还可以两式相减,计算得出n,1/21/2ln/1ln/ttnaa 2.微分法(differentiation method)微分法就是用速率公式的微分形式来确定反应级数的方法。1n r=1n k+n lnc 以lnr 对 lnc作图应为一直线,其斜率就是反应级数n,其截距即为ln k。在ct图上也可以得到动力学参数。见下图。ndcrkcdt 图9.3 微分法测反应级数nt另一种处理方法是在不同的起始浓度时测量不同的起始速率,然后再作图。图9.4 起始速率微分法测反应级数nc3.孤立法和过量浓度法如果
21、有两种或两种以上的物质参加反应,而各反应物的起始浓度又不相同,其速率公式为r=kAB这时可用过量浓度法或孤立法。实验中保持除A以外的B、C等物质大大过量(过量浓度法),则反应过程中只有A的浓度有变化,则 r=k A (kk B)依次可以求出其它物质的动力学参数。若在各次实验中保持除A以外的B、C等物质的起始浓度不变,而只改变A的起始浓度,则称为孤立法。同样有,r=k A (kk B)例题例题5 用例题4(乙酸乙酯在碱性溶液中的反应)中的数据以半哀期法和微分法求算该反应的级数。解解 将例题4中不同时刻的浓度(ax)对t作图,得如图所示曲线。(1)半衰期法 由曲线上选取a=0.064mol dm-
22、3,则a/2=0.032mol dm-3;对应的t1/2 9.50 min。选取a 0.041mol dm-3,则a/2=0.021mol dm-3,对应的t1/220.0 5.015.0min。代入(9.21)式,可得为二级反应。ln(9.50/15.0)1ln(0.041/0.064)0.456120.446n(2)微分法 在(a-x)对t图的曲线上选取两点:为二级反应。-331113-31223311133220.041 mol dm,(0.028/11.0)mol dmmin0.014 mol dm,(0.009/29.5)mol dmminln(/mol dm)3.19;lnmol
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