动力学化学反应速率

第六章 化学动力学

§6-1化学动力学的任务和目的

一、研究化学反应时所涉及的两个基本问题 1、反应的方向和限度——化学热力学

至于反应的速度，过程的机理，从热力学无法得知。 例如: (1)()()P l O H P

g O P

g H ,,21,(2

22−→−+

1298,2.237-⋅-=∆mol KJ G m r

从G ∆的数值看，反应的趋势很大，但在常温常压下让此反应发生，几乎看不到水的生成，只有温度上升到1073Ｋ时，反应才以爆炸的形式进行。

但反应： (2) O H NaCl NaOH HCl 2+−→−

+

129891.79-⋅-=∆mol KJ G

反应速度确非常之快，瞬时便可完成。

热力学只解决可能性问题。而对于实际问题的解决，只靠热力学是远远不够的。例如对()1γ＜＜()2γ 热力学则无法回答。 2、化学反应的速率——化学动力学

亦就是把热力学预言的可能性变为现实。所以化学动力学亦占 有相当重要的地位。实际上，在研究如何实现并控制化学反应方面，化学热力学及化学动力学是相辅相成的，不可缺少的两个基础理论学科。

对一个未知的化学反应，经热力学计算认为是可能的，但具体进行时反应速率很小，工业生产无法实现，则可通过动力学研究，降低其反应阻力，加快反应速度，缩短达到或接近平衡的时间。若热力学研究是不可能的反应，则没有必要浪费人力物力去研究如何加快反应速度的问题。因为没有推动力的过程，阻力再小也是不可能的。

二、 化学动力学的任务和目的 1、化学动力学的任务：

研究浓度、温度、催化剂、光声介质对反应速度 (率) 的影响及探讨反应机理(亦称历程，即反应所经过的步骤)。 2. 化学动力学的目的：

控制化学反应的速率按人们所希望的速率进行。例如：一些化 学反应，我们希望它的速率越快越好，象化工产品的生产；但也有一些化学

反应，我们则希望它的速度越慢越好，象钢铁生锈、木材腐烂、食物变质、塑料老化、某些反应中的副反应等。

从历史上说，化学动力学的发展较热力学为迟，没有热力学那样较完整的系统。目前化学热力学的理论能较精确的告诉人们反应的趋势和限度，而化学动力学的理论却只能粗略地告诉人们反应的速度率 ，还缺乏指导实践的较为系统的理论。这种现状促使对这一领域的研究十分活跃，特别是近使几年来，物质结构理论的发展，新技术的应用，如激光技术和电子计算机的应用，大大地推动了对动力学的研究。

§6-2 反应速率的表示方法

从物理学的概念来看，“速度”是未知量，有方向性，而速率

是标量，所以通常用速率表示化学反应的进展程度。

反应速率：用单位时间内，反应物浓度的降低或生成物浓度的增加来表示。 例如， αR → βP

时间t 1 [R]1 [P]1 时间t 2 [R]2 [P]2

则平均速率为 ;t t ]R []R [r 1212R ---=-

; 1

21

2P t t ]P []P [r --=

- 注：速率恒取正值。 瞬时速率： =R r []dt

dC dt R d R -=-

=; =

P r []dt

dC dt P d P ==

如βα≠， 则 P R r r ≠。

所以表示化学反应速率时，一定要注明表示速率的组分是什么。

βα:]

[:][=-

dt

P d dt R d hH gG fF eE +−→−+对

h g f e dt

H d dt G d dt F d dt E d :::][:][:][:][=--

例如，对反应HI I H 222−→−

+ dt

HI d dt

I d dt

H d ][2

1][:][22=-- 另

一

个

定

义

：

dt

B d v r B ]

[1=

(6-1)

其中，?B：反应式中Ｂ物质的系数，反应物取负值，生成物取正值。

注：对气相反应，可以以分压代替浓度（即以Ｐ代替Ｃ）。

速率的单位：浓度·时间－１

1

3-

-⋅

⋅s

m

mol或()1

1

1

1

3.

.

m in-

-

-

-

-⋅

⋅y

d

h

dm

mol

对气相反应，也可用Ｐa／s

§6-3 化学反应的速率方程式和反应级数

一、几个基本概念

1、反应机理、基本反应步骤、简单反应和复杂反应

（１）反应机理（反应历程）：反应物分子变为产物所经历的真实途径。

例如：丁二烯与丁烯合成已烯的反应，反应方程式可写成：

①2

2

2

2

2

2

2

−→

−

=

+

=

-

=CH

CH

CH

CH

CH

CH C6H10

②−→

−

=

+

=

-

=

2

2

2

2

CH

CH

CH

CH

CH

CH C6H10

③

2

1

2

1

2

1

2

2

2

2

−→

−

=

+

=

-

=CH

CH

CH

CH

CH

CH C6H10

从热力学意义上说，以上三种写法都正确。但从动力学意义上讲，只有②式才代表了该合成反应的机理，①式不真正代表该合成反应的机理，③式无动力学意义。

（2）基元反应（基元步骤）

一个化学反应可以是一步直接完成的，也可能是经过一系列步骤完成的，反应过程中的每一步骤都反映了反应物分子之间一次直接作用的结果，把反应过程中的每一中间步骤，称为一个基元步骤（或基元反应）。

定义：由反应物微粒（分子、离子、原子或自由基等）一步直接实现的变化。（自由基：具有一未配对电子的自由原子）

例如：氢气和氯气的反应：HCl

Cl

H2

2

2

−→

−

+，其机理为：

M

Cl

M

Cl

Cl

HCl

Cl

H

H

HCl

H

Cl

M

Cl

M

Cl

+

−→

−

+⋅

⋅

+

−→

−

+⋅

⋅

+

−→

−

+⋅

+⋅

−→

−

+

2

2

2

2

2

2

（M：器壁或杂质）