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化学与环境科学学院
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第七章化学动力学
物理化学
第七章化学动力学
本章目录
7-1 反应速率及其测定
本节要目
7-1 反应速率及其测定
1 化学动力学与化学热力学的联系与区别
研究任何一个化学反应,往往要注意两个重要方面:(1)化学反应的方向和限度问题。在指定条件(体系及其相关的环境)下,在给定的始态(反应物)和终态(产物)之间,反应是否能够发生?如能发生,进行到什么程度为止?这类问题的研究,是靠化学热力学来解决的。
7-1 反应速率及其测定
(2)化学反应的速率和机理问题。要弄清楚化学反应体系从始态到终态所经历过程的细节,发生这个过程所需要的时间,以及影响这种过程的因素等等。这类问题是靠化学动力学来解决的。化学动力学(Chemical ics)是研究化学反应速率及反应机理的科学,它和化学热力学既有联系又有区别。一个化学反应,必须通过热力学的计算,判定在给定条件、可以发生反应的前提下再来进行化学动力学的研究,否则将是徒劳的。化学动力学主要是研究化学反应的速率,研究各种外在因素对反应速率的影响;研究物质的结构、性质与反应性能的关系,探讨能够解释这种反应速率规律的可能机理,为最优化控制反应提供理论依据。
7-1 反应速率及其测定
例如在298K时
H2 (g) + O2 (g) = H2O (l), ∆GΘm=-·mol-1
根据热力学的计算,这一反应发生的趋势很大,但却不能表明反应以多大速率进行。实际上,在一般温度下,此反应几乎不会发生。要想解决在什么条件下才能实现反应的问题,必需进行动力学研究。只有通过这类研究,找到实现反应的条件以后,才能全面地解决实际问题。例如上述反应,如果把温度升高到700K,它便以爆炸的方式快速进行。
7-1 反应速率及其测定
化学动力学的任务及其研究内容
化学动力学的主要任务时研究反应速率及其所遵循的规律和各种因素对反应速率的影响,从而给人们提供化学反应的条件,揭示化学反应历程,找出决定反应速率的关键所在,使反应按照我们所需要的方向进行,并得到人们所希望的产品。它包括以下三个层次的研究内容:1)宏观反应动力学。它是以宏观反应动力学实验为基础的,研究从复合反应到基元反应的动力学行为,由于这方面的研究在化工生产中起着十分重要的作用,所以它在理论和应用的研究上获得了很大的发展;2)基元反应动力学。它是以大量的微观分子反应动力学行为为出发点,借助于统计力学的方法,研究宏观反应动力学行为;3)分子反应动力学。这是近年来新发展的一个领域,它通过分子束散射技术和远红外化学冷光,凭借于量子力学的理论模型,研究单个分子通过碰撞发生变化的动力学行为。
7-1 反应速率及其测定
2 反应速率
一反应从开始到达平衡前,反应物逐渐减少,产物逐渐增加(见图7-1-1),参加反应的各种物质的物质量随时间在不断地变化,所以反应速度一般指的是瞬时速度。
图7-1-1反应物、产物的浓度c随时间t的关系
7-1 反应速率及其测定
7-1 反应速率及其测定
3 反应速率的测定
从原则上看,只要测定不同时刻反应物或产物的浓度,便可以求出反应速率,测定方法一般有化学法和物理法。
在化学反应的某一时刻取出部分样品后,必须使反应停止不再继续进行,并尽可能快地测定某物质的浓度,停止的方法有骤冷、冲稀、加阻化剂或移走催化剂等,然后用化学方法进行分析测定。
关键:取出样品立即冻结
优点:能直接得到不同时刻的绝对值,所用仪器简单。
缺点:分析操作繁杂。