化學反應速率

化學反應速率

化學反應速率,指化學反應進行的快慢程度,用單位時間反應物濃度的減少或生成物濃度的增加來表示。在容積不變的反應容器中,通常用單位時間內反應物濃度的減少或生成物濃度的增加來表示。濃度單位一般用莫耳·升-1,時間單位用秒、分或小時。化學反應並非均勻速率進行:反應速率分為平均速率(一定時間間隔里平均反應速率)和瞬時速率(給定某時刻的反應速率),可通過實驗測定。反應物本身的性質,外界因素:溫度,濃度,壓強,催化劑,光,雷射,反應物顆粒大小,反應物之間的接觸面積和反應物狀態,x射線,γ射線,固體物質的表面積,與反應物的接觸面積,反應物的濃度也會影響。

基本信息

定義

表達式:△v(A)=△c(A)/△t △v(A)=△n(A)/ V△t (c =n/ V
單位:mol/(L·s)
或mol/(L·min)或mol/(L·h)
影響化學反應速率的因素:主要因素:反應物本身的性質,外界因素:溫度濃度壓強催化劑雷射,反應物顆粒大小,反應物之間的接觸面積和反應物狀態
另外,x射線γ射線,固體物質的表面積與反應物的接觸面積,反應物的濃度也會影響化學反應速率。
表示方法:用單位時間內反應物或生成物物質的量,濃度的變化來表示。在容積不變的反應容器里,通常用單位時間內反應物物質的量的變化或生成物物質的量的變化來表示。不管用哪種物質表示,均為正值。

計算公式

化學反應的計算公式:
對於下列反應:
mA+nB=pC+qD
有v(A):v(B):v(C):v(D)=m:n:p:q
v(A):v(B):v(C):v(D)
=Δn(A):Δn(B):Δn(C):Δn(D)
=△C(A) / △t:△C(B) / △t:△C(C) / △t:△C(D) / △t
把上式的△t約掉
有△C:(A):△C(B):△C(C):△C(D)=m:n:p:q
以上注意是△C,反應前的C和反應後的C並不適用
對於沒有達到化學平衡狀態的可逆反應:
v(正)≠v(逆)
還可以用:v(A) / m=v(B) /n=v(C) /p=v(D) /q
本式用於確定化學計量數,比較反應的快慢非常實用。

影響因素

內因

反應物自身的性質

外因

壓強條件對於有氣體參與的化學反應,其他條件不變時(除體積),增大壓強,即體積減小,反應物濃度增大,單位體積內活化分子數增多,單位時間內有效碰撞次數增多,反應速率加快;反之則減小。若體積不變,加壓(加入不參加此化學反應的氣體)反應速率就不變。因為濃度不變,單位體積內活化分子數就不變。但在體積不變的情況下,加入反應物,同樣是加壓,增加反應物濃度,速率也會增加。若體積可變,恆壓(加入不參加此化學反應的氣體)反應速率就減小。因為體積增大,反應物的物質的量不變,反應物的濃度減小,單位體積內活化分子數就減小。溫度條件只要升高溫度,反應物分子獲得能量,使一部分原來能量較低分子變成活化分子,增加了活化分子的百分數,使得有效碰撞次數增多,故反應速率加大(主要原因)。當然,由於溫度升高,使分子運動速率加快,單位時間內反應物分子碰撞次數增多反應也會相應加快(次要原因)催化劑使用正催化劑能夠降低反應所需的能量,使更多的反應物分子成為活化分子,大大提高了單位體積內反應物分子的百分數,從而成千上萬倍地增大了反應物速率.負催化劑則反之。催化劑只能改變化學反應速率,卻改不了化學反應平衡條件濃度當其它條件一致下,增加反應物濃度就增加了單位體積的活化分子的數目,從而增加有效碰撞,反應速率增加,但活化分子百分數是不變的。

其他因素

化學化學
增大一定量固體的表面積(如粉碎),可增大反應速率,光照一般也可增大某些反應的速率;此外,超音波、電磁波、溶劑等對反應速率也有影響。
溶劑對反應速度的影響
在均相反應中,溶液的反應遠比氣相反應多得多(有人粗略估計有90%以上均相反應是在溶液中進行的)。但研究溶液中反應的動力學要考慮溶劑分子所起的物理的或化學的影響,另外在溶液中有離子參加的反應常常是瞬間完成的,這也造成了觀測動力學數據的困難。最簡單的情況是溶劑僅引起介質作用的情況。
在溶液中起反應的分子要通過擴散穿周圍的溶劑分子之後,才能彼此接觸,反應後生成物分子也要穿過周圍的溶劑分子通過擴散而離開。
擴散——就是對周圍溶劑分子的反覆擠撞,從微觀角度,可以把周圍溶劑分子看成是形成了一個籠,而反應分子則處於籠中。分子在籠中持續時間比氣體分子互相碰撞的持續時間大10-100倍,這相當於它在籠中可以經歷反覆的多次碰撞。
籠效應——就是指反應分子在溶劑分子形成的籠中進行多次的碰撞(或振動)。這種連續反覆碰撞則稱為一次偶遇,所以溶劑分子的存在雖然限制了反應分子作遠距離的移動,減少了與遠距離分子的碰撞機會,但卻增加了近距離分子的重複碰撞。總的碰撞頻率並未減低。
據粗略估計,在水溶液中,對於一對無相互作用的分子,在依次偶遇中它們在籠中的時間約為10-12-10-11s,在這段時間內大約要進行100-1000次的碰撞。然後偶爾有機會躍出這個籠子,擴散到別處,又進入另一個籠中。可見溶液中分子的碰撞與氣體中分子的碰撞不同,後者的碰撞是連續進行的,而前者則是分批進行的,一次偶遇相當於一批碰撞,它包含著多次的碰撞。而就單位時間內的總碰撞次數而論,大致相同,不會有數量級上的變化。所以溶劑的存在不會使活化分子減少。A和B發生反應必須通過擴散進入同一籠中,反應物分子通過溶劑分子所構成的籠所需要的活化能一般不會超過20kJ·mol-1,而分子碰撞進行反應的活化能一般子40 -400kJ·mol-1之間。
由於擴散作用的活化能小得多,所以擴散作用一般不會影響反應的速率。但也有不少反應它的活化能很小,例如自由基的複合反應,水溶液中的離子反應等。則反應速率取決於分子的擴散速度,即與它在籠中時間成正比。
從以上的討論可以看出,如果溶劑分子與反應分子沒有顯著的作用,則一般說來碰撞理論對溶液中的反應也是適用的,並且對於同一反應無論在氣相中或在溶液中進行,其機率因素P和活化能都大體具有同樣的數量級,因而反應速率也大體相同。但是也有一些反應,溶劑對反應有顯著的影響。例如某些平行反應,常可藉助溶劑的選擇使得其中一種反應的速率變得較快,使某種產品的數量增多。
溶劑對反應速率的影響是一個極其複雜的問題,一般說來:
⑴溶劑的介電常數對於有離子參加的反應有影響。因為溶劑的介電常數越大,離子間的引力越弱,所以介電常數比較大的溶劑常不利與離子間的化合反應。
⑵溶劑的極性對反應速率的影響。如果生成物的極性比反應物大,則在極性溶劑中反應速率比較大;反之,如反應物的極性比生成物大,則在極性溶劑中的反應速率必變小。
⑶溶劑化的影響,一般說來。作用物與生成物在溶液中都能或多或少的形成溶劑化物。這些溶劑化物若與任一種反應分子生成不穩定的中間化合物而使活化能降低,則可以使反應速率加快。如果溶劑分子與作用物生成比較穩定的化合物,則一般常能使活化能增高,而減慢反應速率。如果活化絡合物溶劑化後的能量降低,因而降低了活化能,就會使反應速率加快。
⑷離子強度的影響(也稱為原鹽效應)。在稀溶液中如果作用物都是電解質,則反應的速率與溶液的離子強度有關。也就是說第三種電解質的存在對於反應速率有影響.
5.當金屬與電解質溶液反應時,如果金屬中含有雜質,就會形成原電池,使反應速率增加,這就是粗鋅比純鋅與酸的反應速率更快的原因。

轉化速率

1.化學反應轉化速率的定義
設有化學反應,其計量方程為(7-0)
圖(7-0)圖(7-0)
按IUPAC的建議,該化學反應的轉化速率定義為(7-1)
(7-1)(7-1)
式中,ξ為化學反應進度;t為反應時間;為化學反應轉化速率,即單位時間內發生的反應進度。
設反應的參與物的物質的量為nB時,因有,所以式(7-1)可改寫成
(7-2)
(7-2)
2.定容反應的反應速率
對於定容反應,反應系統的體積不隨時間而變,則物質B的量濃度,於是式(7-2)可寫成
(7-3)
(7-3)
(7-4)
作為定容反應的反應速率的常用定義。
由式(7-4),對反應
aA+bB → yY+zZ
在氣相反應中,常用混合氣體組分的分壓的消耗速率或增長速率來表示反應速率,若為理想混合氣體,則有pB=cBRT,代入式(7-6)及(7-7),則有
(7-5)
(7-8)
通常選用反應物組分中反應物之一作為主反應物,若以組分A代表主反應物,設nA,0及nA分別為反應初始時及反應到時間t時A的物質的量,xA為時間t=0®t=t時反應物A的轉化率,其定義為 (7-9)
xA通常稱為A的動力學轉化率,xA≤xA,e,xA,e為熱力學平衡轉化率。
由式(7-9),有
nA=nA,0(1-xA) (7-10)
當反應系統為定容時,則有
cA=cA,0(1-xA) (7-11)
式中,cA,0,cA分別為t=0及t=t時反應物A的物質的量濃度。將式(7-11)代入式(7-6),有 (7-12)

誤區提醒
1、在其他條件不變時,對某一反應來說,活化分子在反應物分子中所占的百分數是一定的,反應物濃度增大→活化分子數增多→有效碰撞增多→反應速率增大。因此,增大反應物的濃度可以增大化學反應速率。
2、對於氣態反應或有氣體物質參加的反應,增大壓強可以增大化學反應速率;反之,減小壓強則可以減小化學反應速率。
3、升高溫度可以加快化學反應速率,溫度越高化學反應速率越大;降低溫度可以減慢化學反應速率,溫度越低化學反應速率越小。經過多次實驗測得,溫度每升高10℃,化學反應速率通常增大到原來的2~4倍。
4、對於某些化學反應,使用催化劑可以加快化學反應速率。

典型例題

例1.已知某條件下,合成氨反應的數據如下:
N2(g)+3H2(g)2NH3(g)
起始濃度/mol·L-1 1.0 3.00.2
2s末濃度/mol·L-10.6 1.81.0
4s末濃度/mol·L-10.4 1.21.4
當用氨氣濃度的增加來表示該反應的速率時,下列說法中錯誤的是( )
A.2s末氨氣的反應速率=0.4mol/(L·s)
B.前2s時間內氨氣的平均反應速率=0.4mol/(L·s)
C.前4s時間內氨氣的平均反應速率=0.3mol/(L·s)
D.2s~4s時間內氨氣的平均反應速率=0.2mol/(L·s)
解析:
A不符合平均反應速率的定義,2s末的速率是瞬時速率,本題條件下是不能求解的。氨氣在0~2s時間內,濃度的增加值=1.0mol/L—0.2mol/L=0.8mol/L,故前2s氨氣的平均反應速率=0.8mol/L÷2s=0.4mol/(L·s),故B項正確。前4s內氨氣的平均反應速率=(1.4-0.2)mol/L÷4s=0.3mol/(L·s),故C正確。2~4s內氨氣的平均反應速率=(1.4-1.0)mol/L÷(4-2)s=0.2mol/(L·s),故D正確。
答案:A

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