第2章 化学反应动力学

厚积薄发

开物成务

M g A l 2 O 4

A l 2 O 3

任何化学反应，都有两个最基本的问题：

（1）反应实现的可能性，即反应的方向和限度问题。 （2）反应达到平衡需要多长时间，即反应的速率问题。

♫ 有的化学反应进行得很快，几乎在瞬间完成。

♫ 有的化学反应则进行得很慢。

q N 2 (g) + 3H 2 (g) = NH 3 (g) q目前的反应条件：高温、 高压。

q根据热力学计算，该反应 可以在常温、常压下进行 q解决办法：研究有效的催 化剂及最佳操作条件。

2.1.1化学反应速率定义及其表示方法

• 转化速率用J 来表示。

1 B B dn J dt n = t J D D = x dt d J x = B

B dn d n x = ，写成微分形式： 前面已经知道： ∴

恒容条件下（如溶液中的反应），用r 表示反应速率

1 B B J dc r V dt

n == 对任意化学反应：aA + bB = gG + dD

1111 g d A B dc dc dc dc r a dt b dt g dt d dt

=-×=-×=×=×

密闭容器合成氨反应在一定条件下进行：

223 32 N H

N H += 开始浓度/mol/L: 1 3 0

3秒钟后N 2 的浓度： 0.7 3－3×0.3＝2.1 2×0.3＝0.6

用三种物质表示的平均反应速率分别为：

1 2 110.733 ()0.1// 33

B dc r H mol L s b dt - ´- =-=-= 1 3 1110.72 ()0.1// g 23

G dc r NH mol L s dt - ´ === （ － ） 1 2 110.71 ()0.1// 13

A dc r N mol L s a dt - - =-=-=

讨论:

①反应速率的单位：mol∙dm －3 ∙s －1

②反应速率数值:与所选用的物质无关，与化学方

程式的书写形式有关。

• 合成氨为例: N 2 与H 2 的比为1:3；初始浓度为1 mol/L，3 s后N 2 的浓度为0.7 mol/L。

密闭容器合成氨反应在一定条件下进行：

223 13 2

2 N H N H += 开始浓度/mol/L: 1

3 0

3秒钟后N 2 的浓度： 0.7 3－3×0.3＝2.1 2×0.3＝0.6

用三种物质表示的平均反应速率分别为：

1 2 110.733 ()0.2// (3/2)3

B dc r H mol L s b dt - ´- =-=-= 1 3 1110.72 ()0.2// g 13

G dc r NH mol L s dt - ´ === （ － ） 1 2 110.71 ()0.2// 0.53

A dc r N mol L s a dt - - =-=-=

[例]：CO (g)＋ NO 2 (g)＝ CO 2 (g)＋ NO (g)

0.018 … 0.040 0.050 0.067 0.100 c(CO)

/mol/L

100 … 30.0 20.0 10.0 0.0 t/s

③ 瞬时反应速率、平均反应速率：

0 11 ()lim() B B t B

B c dc r t dt n n D ® D ×=× D 瞬时 ＝

()0.0880.048 ()0.002// 20.00.0

dc CO bd r CO mol L s dt cd - =-=== - 0 10 20 30 40 50

0.00

0.02

0.04

0.06 0.08 0.10

c (C O )/m o l /

d m 3 t/s

a b

c d

2.1.2 反应机理和反应分子数

1、反应机理的概念

• 通常所写的化学反应方程式，只是化学反应的计量 式，是按照所给的计量关系进行

• 没有表示出反应物经历哪些步骤才转变为产物。 • 从反应物转变为产物所经历的具体途径，称为反应 机理，或反应历程。

例：Cl 2 (g) + H 2 (g)→2 HCl (g)

• 该反应在光照的条件下经过4个步骤完成的：

• ① Cl 2 + M 0 →2 Cl + M 0

• ② Cl + H 2 →HCl + H

• ③ H + Cl 2

→HCl (g) + Cl • ④ Cl + Cl + M 0 → Cl 2

+ M 0

例：CH 4 (g) + O 2

(g)→ CO (g)+ 2H 2 • 该反应在Ni/Al 2 O 3

催化剂下反应： • CH 4 + xNi →Ni x

C + 4H (1) • 2H → H 2

(2) • O 2 + 2Ni →2NiO

(3) • Ni x

C + NiO → (x+1) Ni + CO (4) • Ni x C + 2NiO → (x+2) Ni + CO 2

(5) • 2H + NiO → H 2

O (6)

2、基元反应与非基元反应

• 基元反应：反应物分子（或离子、原子以及自由基 等）直接碰撞发生相互作用而生成产物的反应。

3、反应分子数

• 基元反应方程式中反应物微型粒子（包括分子、原 子、离子、自由基）个数之和。

2

3 5 2

2 Cl PCl PCl CO NO CO NO + = + = +