化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡.ppt

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1、第四章 化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡 4-1 化學(xué)反應(yīng)速率 4-2 化學(xué)平衡,掌握化學(xué)反應(yīng)速率的概念及表示方法、影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素、可逆反應(yīng)和化學(xué)平衡的概念、影響化學(xué)平衡的因素； 掌握活化能的概念、碰撞理論、化學(xué)平衡常數(shù)的表達(dá)式及意義； 了解質(zhì)量作用定律、過(guò)渡態(tài)理論、化學(xué)反應(yīng)熱。,學(xué)習(xí)目標(biāo),一、化學(xué)反應(yīng)速率的概念及表示方法,化學(xué)反應(yīng)涉及的問(wèn)題,,反應(yīng)速率,反應(yīng)限度,化學(xué)反應(yīng)是否一定進(jìn)行得很快? 快：木材的氧化（點(diǎn)燃）、爆炸反應(yīng)，中和反應(yīng)等。 慢：金屬銹蝕，食品腐爛，塑料老化等。,化學(xué)反應(yīng)有快有慢：,HClNaOHNaClH2O,千分之一秒即完成,H2Cl22HCl,百分之一秒即完成,救心丹,幾分

2、鐘見(jiàn)效,鋼鐵腐蝕,若干年,煤、石油等化石燃料的形成,幾千萬(wàn)年以上,化學(xué)反應(yīng)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度的減少或生成物濃度的增加來(lái)表示。常用單位為mol/(Ls)或mol/(Lmin)、 mol/(Lh)。,對(duì)于同一化學(xué)反應(yīng)，可以選定不同物質(zhì)的濃度變化來(lái)計(jì)算反應(yīng)速率。,【例】 N2 + 3H2 = 2NH3 初始 t1 1.0 3.0 0.0 molL-1 2秒后 t2 0.8 2.4 0.4 molL-1,對(duì)于同一化學(xué)反應(yīng)，選定不同的對(duì)象計(jì)算反應(yīng)速率不同，所以書(shū)寫(xiě)時(shí)要注明具體的物質(zhì)。,對(duì)于化學(xué)反應(yīng)： aA + bB gG + hH 采用不同物質(zhì)定義的反應(yīng)速率之間存在關(guān)系：,三個(gè)數(shù)值反映

3、的是同一反應(yīng)進(jìn)行的快慢, 但數(shù)值并不相等。關(guān)鍵是物質(zhì)前面的化學(xué)計(jì)量數(shù)不一樣。,沒(méi)合適的取向,沒(méi)足夠的能量,足夠的能量 +合適的取向,投籃,碰撞理論,化學(xué)反應(yīng),化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是反應(yīng)物分子內(nèi)舊鍵斷裂，形成生成物分子中新的化學(xué)鍵，這種轉(zhuǎn)化過(guò)程必須提供足夠的能量方可實(shí)現(xiàn)。 反應(yīng)物分子間的相互碰撞，是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的前提。 據(jù)測(cè)定，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，分子相互碰撞頻率的數(shù)量級(jí)高達(dá)1032次/(dm3s)，如果每次碰撞都能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，氣體反應(yīng)物之間的反應(yīng)都會(huì)爆炸性的發(fā)生。這就說(shuō)明在眾多的碰撞中，只有極少數(shù)能量較高的分子間碰撞才能發(fā)生反應(yīng)，這些能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的碰撞稱為有效碰撞。,二、碰撞理論 1. 有效碰撞,能發(fā)

4、生有效碰撞的分子稱為活化分子，活化分子比其他一般的分子具有更高的能量。活化分子在總分子數(shù)中占有的比例越高，則有效碰撞的次數(shù)越多，反應(yīng)速率也也越快。 在一定條件下，體系中反應(yīng)物分子具有一定的平均能量(E)，活化分子具有的平均能量為(E*)，把活化分子的平均能量(E*)與反應(yīng)物分子的平均能量(E)之差，稱為活化能(Ea) 。,2. 活化分子與活化能,普通分子要吸收足夠能量才能轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨肿樱拍馨l(fā)生有效碰撞。所以活化能的大小是決定化學(xué)反應(yīng)速率的重要因素。由于不同的物質(zhì)具有不同的活化能，一般來(lái)說(shuō)，活化能小的反應(yīng)，速率越快。 反應(yīng)速率還與碰撞方位有關(guān)，只有能量足夠大，且方位適宜的分子間的碰撞才是有效碰

5、撞。,2. 活化分子與活化能,活化分子百分?jǐn)?shù)： （活化分子數(shù)/反應(yīng)物分子數(shù)）100%,化學(xué)反應(yīng)速率主要取決于：,普通 分子,,活化能,活化 分子,,合理 取向碰撞,有效 碰撞,,新物質(zhì),單位體積內(nèi)活化分子數(shù) 有效碰撞的幾率,反應(yīng)歷程,,有利的越快越好！,有害的越慢越好！,能否控制化學(xué)反應(yīng)速率呢？,化學(xué)反應(yīng)速率是由反應(yīng)物的性質(zhì)決定的,影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素,在相同條件下，等質(zhì)量(金屬顆粒大小相同)的下列金屬與足量1mol/L 鹽酸反應(yīng)時(shí)，速率最快的是 A 鎂 B 鋁 C 鈉 D 鐵,化學(xué)反應(yīng)速率是由反應(yīng)物的性質(zhì)決定的； 內(nèi)因是主要因素 外因主要有濃度、

6、壓強(qiáng)、溫度和催化劑,三、 影響反應(yīng)速率的因素,,,實(shí)驗(yàn)7-1：在不同濃度的Na2S2O3溶液中同時(shí)加入同體積同濃度的稀硫酸，發(fā)生如下反應(yīng)：Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+S+SO2+H2O,觀察出現(xiàn)黃色混濁的快慢，結(jié)果是濃溶液的反應(yīng)速率大,1. 濃度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響,在稀的水溶液中，發(fā)生反應(yīng)： H2O2 + 2H+ + 2Br- 2H2O + Br2 其他條件不變，僅改變反應(yīng)物的濃度，對(duì)它進(jìn)行反應(yīng)速率測(cè)定，數(shù)據(jù)如下：,,結(jié)論：在其他條件不變時(shí)，增大反應(yīng)物濃度，可以增大反應(yīng)速率,結(jié)果：H2C2O4溶液濃度大，KMnO4先褪色,2KMnO4 + 5H2C2O4 +3H2SO4=K2S

7、O4 +2MnSO4 +10CO2+8H2O,影響因素,本質(zhì)原因,反應(yīng)物濃度增大，單位體積內(nèi)活化分子數(shù)增多，有效碰撞的幾率增加，反應(yīng)速率增大。,影響因素,濃度,結(jié)論：增加反應(yīng)物的濃度，反應(yīng)速率加快；減小反應(yīng)物的濃度，反應(yīng)速率減小。,2. 壓力對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響,結(jié)論：當(dāng)溫度一定時(shí)，氣體所受壓力增大，氣體的體積會(huì)縮小，單位體積內(nèi)氣體的分子數(shù)（即氣體物質(zhì)的濃度）會(huì)增加。因此，對(duì)于有氣體物質(zhì)參加的反應(yīng)，增大壓力，即增大反應(yīng)物的濃度，反應(yīng)速率加快。,壓力只對(duì)有氣體參加的化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率有影響。因?yàn)橐欢囟认拢瑝毫Φ母淖儠?huì)影響氣體體積的變化，從而引起氣體濃度的變化。所以壓力對(duì)反應(yīng)速率的影響，本質(zhì)上與

8、濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響相同。,3. 溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響,結(jié)論： 溫度升高，反應(yīng)物分子間的碰撞頻率加快，一定程度上增加了單位時(shí)間內(nèi)分子間的有效碰撞次數(shù)，使反應(yīng)速率加快。 溫度升高，使一些普通分子獲得能量成為活化分子，增加了活化分子百分率，使單位時(shí)間內(nèi)有效碰撞次數(shù)大大增加，反應(yīng)速率加快。,荷蘭科學(xué)家范特霍夫提出，溫度每升高10K，反應(yīng)速度一般增加到原來(lái)的2-4倍。（Vant Hoff，1901年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者；主要工作為動(dòng)力學(xué)研究、滲透壓定律等。）,4. 催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響,催化劑：能改變化學(xué)反應(yīng)速率，而本身的化學(xué)組成、性質(zhì)和質(zhì)量在反應(yīng)前后都不變的物質(zhì)。 特點(diǎn)： 同等程度地加快正、逆反

9、應(yīng)的速率。 不能改變反應(yīng)的可能性和平衡常數(shù)。,催化劑能高效地加快反應(yīng)速率，被廣泛用于生產(chǎn)和生活中。尤其是在生物催化中尤為突出。在生物體內(nèi)幾乎所有的化學(xué)反應(yīng)都由酶所催化。酶的種類繁多，都是蛋白質(zhì)。酶不同于一般的催化劑，具有高度的專一性、高效的催化活性，同時(shí)對(duì)反應(yīng)條件要求較高。,反應(yīng)歷程,,,,,,,,,,能量,反應(yīng)過(guò)程,E1,E2,反應(yīng)物,生成物,活化分子,活化能,活化分子變成生成物分子放出的能量,反應(yīng)熱,,沒(méi)加催化劑,加了催化劑,使用催化劑，能夠降低反應(yīng)所需的能量，這樣會(huì)使更多的反應(yīng)物的分子成為活化分子，大大增加單位體積內(nèi)反應(yīng)物分子中活化分子所占的百分?jǐn)?shù)。因而使反應(yīng)速率加快。,衣物上的油漬用普

10、通洗衣粉很難洗去，但如果用加有酶 的洗衣粉，則較容易就能洗去。為什么？,,一、可逆反應(yīng)與化學(xué)平衡,在一定條件下，有些反應(yīng)一旦發(fā)生，就能不斷進(jìn)行，直到反應(yīng)物幾乎都變成生成物。這種只能向一個(gè)方向進(jìn)行的單向反應(yīng)稱為不可逆反應(yīng)。 在同樣的條件下，既可正向進(jìn)行又可逆向進(jìn)行的反應(yīng)稱為可逆反應(yīng)。在反應(yīng)方程式中常用兩個(gè)相反的箭頭“”代替等號(hào)，以表示反應(yīng)的可逆性。 在可逆反應(yīng)中，常把從左到右的反應(yīng)稱為正反應(yīng)，從右到左的反應(yīng)稱為逆反應(yīng)。,合成氨反應(yīng)：N2 + 3H2 2NH3 初始狀態(tài)： 1mol 3mol 0mol,剛開(kāi)始只有氮?dú)夂蜌錃獍l(fā)生正反應(yīng),一旦有氨氣產(chǎn)生，立即有分解反應(yīng)發(fā)生逆反應(yīng),正反應(yīng)速率變慢

11、，逆反應(yīng)速率變快,在單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物減少的分子數(shù)等于逆反應(yīng)生成的分子數(shù)，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)各物質(zhì)濃度不再改變。表面上看，反應(yīng)不再向某一方向進(jìn)行。,化學(xué)平衡：在一定條件下，可逆反應(yīng)處于v(正) = v(逆)的狀態(tài)。,化學(xué)平衡的特征： （1）在密閉容器中，反應(yīng)不能進(jìn)行到底，無(wú)論反應(yīng)多長(zhǎng)時(shí)間，反應(yīng)物和生成物同時(shí)存在； （2）是動(dòng)態(tài)平衡，正、逆反應(yīng)仍在進(jìn)行，只是二者速率相等。即： V正=V逆0 （3）系統(tǒng)的組成不再隨時(shí)間而變，保持恒定。 （4）平衡態(tài)是反應(yīng)達(dá)到的最大程度。條件改變時(shí)，平衡會(huì)破壞而移動(dòng)。,二、化學(xué)平衡常數(shù),當(dāng)可逆反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)，系統(tǒng)中各物質(zhì)的濃度不再隨時(shí)間的改變而變化，稱為平衡濃度。,一定溫度下，

12、無(wú)論初始物是反應(yīng)物還是生成物，無(wú)論各物質(zhì)的初始濃度和平衡濃度是何數(shù)值，只要達(dá)到平衡態(tài)，該系統(tǒng)中生成物平衡濃度的乘積與反應(yīng)物平衡濃度的乘積之比一定是一個(gè)定值。該定值稱為平衡常數(shù)。,對(duì)于任一可逆反應(yīng)：mA + nB pC + bD ，在一定溫度下達(dá)平衡時(shí)，以下表達(dá)式為一常數(shù)，,Kc為平衡常數(shù),Kp為平衡常數(shù),對(duì)于氣相反應(yīng)，恒溫恒壓下，氣體的分壓與濃度成正比，因此，在平衡常數(shù)表達(dá)式中，也可用平衡時(shí)各氣體的平衡分壓來(lái)代替濃度。即,平衡常數(shù)意義：化學(xué)反應(yīng)在一定條件下達(dá)到平衡后反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化程度；Kc越大，正反應(yīng)進(jìn)行的程度越大，平衡混合物中生成物的相對(duì)平衡濃度越大。,2. 書(shū)寫(xiě)平衡常數(shù)表達(dá)式的注意事項(xiàng),(1

13、) 反應(yīng)系統(tǒng)中的純固體、純液體或稀溶液中的水不寫(xiě)進(jìn)表達(dá)式中。,Cr2O72- + H2O 2CrO42- + 2H+,CO2(g) + H2 (g) CO (g) + H2O (l),(2) 平衡常數(shù)表達(dá)式必須與反應(yīng)方程式相對(duì)應(yīng)，反應(yīng)式的寫(xiě)法不同，平衡常數(shù)的表達(dá)式和平衡常數(shù)值也不同。,N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g),1/2 N2(g) + 3/2 H2(g) NH3(g),(3) 正、逆反應(yīng)的平衡常數(shù)互為倒數(shù)。,2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g),2SO3(g) 2SO2(g) + O2(g),,三、化學(xué)平衡的移動(dòng),化學(xué)平衡是在一定條件下相對(duì)的、暫時(shí)的平衡。 如果外界

14、條件（如濃度、溫度壓力等）發(fā)生改變，平衡將被破壞，而向新的平衡態(tài)轉(zhuǎn)化。 由于外界條件的改變，使可逆反應(yīng)從一種平衡狀態(tài)向另一種平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程，叫做化學(xué)平衡的移動(dòng)。,在其他條件不變時(shí)，增大反應(yīng)物濃度或減小生成物濃度，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；增大生成物濃度或減小反應(yīng)物濃度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)。,增加Fe3+ 或 SCN-的濃度，平衡向生成Fe(SCN)3的方向移動(dòng)，故紅色加深。,例如，工業(yè)上制取硫酸的過(guò)程中，有一重要的反應(yīng)： 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，常用過(guò)量的空氣與成本較高的SO2作用，為什么？,在實(shí)際工作中，常通過(guò)增大成本較低的原料的濃度，達(dá)到充分利用貴重原料，提高貴重原料的轉(zhuǎn)化率；也常采用分離

15、出產(chǎn)物的方法來(lái)提高反應(yīng)物的利用率。,壓力對(duì)固體和液體的影響很小，故壓力的改變對(duì)固體和液體反應(yīng)的平衡系統(tǒng)沒(méi)有顯著影響。 對(duì)于有氣體參加的反應(yīng)： 反應(yīng)前后氣體分子數(shù)目不變的反應(yīng)，改變壓強(qiáng)平衡不移動(dòng)，因?yàn)楦淖儔簭?qiáng)同時(shí)改變正逆反應(yīng)速率，并且改變程度相同； 反應(yīng)前后氣體分子數(shù)目變化的反應(yīng)，改變壓強(qiáng)，速率改變倍數(shù)不一樣，分子數(shù)目多的一側(cè)速率改變倍數(shù)大。所以增大壓強(qiáng)，化學(xué)平衡向著氣體分子數(shù)目減少的方向移動(dòng)；減小壓強(qiáng)，化學(xué)平衡向著氣體分子數(shù)目增多的方向移動(dòng)。,圖中左為熱水，右為冰水,2NO2 (g，紅棕色) N2O4 (g，無(wú)色) + 56.9kJ/mol,升高溫度，正、逆反應(yīng)速率都增大，但增大的倍數(shù)不一樣，吸熱反應(yīng)增大的倍數(shù)大。降低溫度，正、逆反應(yīng)速率都減小，但降低的倍數(shù)不一樣，吸熱反應(yīng)降低的倍數(shù)大。,升高溫度平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng),降低溫度平衡向放熱反應(yīng)方向移動(dòng),結(jié)論,催化劑同等程度的改變正、逆反應(yīng)速率。因此催化劑的加入，不會(huì)破壞平衡體系中v正= v逆的狀態(tài)，但能縮短到達(dá)平衡所需時(shí)間，從而較大程度的提高生產(chǎn)效率。,勒夏特列（Le Chatelier）原理適用于已達(dá)平衡的體系： 如果改變平衡系統(tǒng)的條件之一（濃度、壓力和溫度），平衡就向能減弱這種改變的方向移動(dòng)。,影響化學(xué)平衡的條件,歸納小結(jié),