化学动力学基础(一)

化学动力学基础（一）

教学目的与要求:

使学生了解和掌握化学动力学的一些基本概念，测定化学反应速率的一般方法，几种简单级数反应的动力学特征，几种典型的复杂分应的动力学特征，温度对反应速率的影响，有自由基参加的反应的动力学特征，拟定反应动力学方程的一般方法。

重点与难点:

化学动力学的一些基本概念：反应的级数与反应的分子数，基元反应与非基元反应以及反应的速率的描述方法等；简单级数反应的动力学特征，几种典型复杂反应的动力学特征，温度对反应速率的影响（反应的活化能的概念），链反应的动力学特征以及动动学方程的推导方法。

§11.1 化学动力学的任务和目的

化学反应用于生产实践所遇到的两个方面的问题和热力学的局限性以及化学动力学的必要性，它的实际意义。

化学动力学的基本任务：１．研究化学反应的速率，以及各种因素（浓度，压力，温度，催化剂）对速率的影响。２．研究反应的机理（历程）。

化学动力学与物质结构的关系：化学动力学和化学热力学的研究方法是不同的。它要研究反应速率及其影响的因素，必须了解体系的物质结构方面的知识，同时，通过对反应速率以及反应机理的研究，也可以加深人们对物质结构的认识。

化学动力学的发展过程：第一阶段，宏观动力学阶段，主要从宏观上测定化学反应的速率，确定反应的级数，在此阶段，确立了质量作用定律和阿累尼乌斯定律，并提出了活化能的概念。

第二阶段，包括从宏观动力学到微观动力学的过程，以及从微观研究化学反应的速度。在这一阶段，建立了各种反应的速度理论，如碰撞理论，过渡状态理论，链反应，单分子反应速度等理论，从二十世纪五十年代开始，分子束和激光技术应用于化学动力学的研究，使人们进入到了态--态反应的层次，研究不同量子态的反应物和产物的速率，以及反应的细节。

化学动力学理论还不能象热力

学理论那样系统和完善。

§11．2化学反应速

率表示法

反应系统中反应物的消耗和

产物的生成速度随反应的类型的不同而不同，一般情况下，反应系统中反应物和产物的浓度与时间的关系可以用如左图的曲线来表示，化学反应的速度，就是单位时间反应物和产物浓度的改变量，由于反应物产物在反应式中的计量系数不尽一致，所以用不同的物质表示化学反应速率时，其数值也不一致。 但如用反应进度的变化率来表示进度，反应速率在数值上是一致的，

如对反应： p R βα→ 0=t ()()00P R n n t t =

()

()t n t n P R

根据反应进度的定义：

βαξ)

0()()0()(P P R R n t n n t n -=

--=

dt t dn dt t dn dt d P R )(1)(1βαξ=

-= 定义反应的速率:

dt d V dt d V r ξξ11=

=

对于一个任意的化学反应： hH gG fF eE +=+

dt dn hV dt dn gV dt dn fV dt dn eV dt d V r H

G G E 11111=

=-=-==ξ

如反应过程中体积是恒定的，则有

dt H d h dt G d g dt F d f dt E d e r ][1][1][1][1=

=-=-= 对于气相反应，也可以用各种气体的分压来代替，如对反应， N 2O 5(g) = N 2O 4 + 21

O 2

反应的速成率也可以表示为

dt dP dt dP dt dP r O O N O N 2

42522

==-= 对于气固相催化反应，则用单位量的催化剂上反应进度对时间的变化率

r =dt d Q ξ

1（Q 为催化剂的量，可以是质量，体积或表面积等）

a. 如用m （质量）表示Q ， 则有

dt d m r m ξ1=

m r 为单位质量的催化剂上反应进度对时间的变化率(mol ·kg -1·s -1)。

b. 如用V （催化剂床层的堆积体积）表示Q , 则有

dt d V r V ξ1=

V r 为单位时间的固体催化剂床层上反应进度对时间的变化率

c. 如用A （催化剂的表面积）表示Q , 则有

dt d A r A ξ1=

A r 为单位固体催化剂的表面积上反应进度对时间的变化率。

化学反应进度的测定方法：

测定化学反应速率，就是在不同时刻测定反应系统中反应物和产物的浓度，

得到浓度—时间曲线，然后在不同时刻作切线求斜率，得到浓度对时间的变化率，求出反应速率。根据反应系统中物质浓度的测定方法，可以有物理学方法和化学方法。对快速反应要用特殊的装置进行测定。

§11．3化学反应的速率方程

表示反应速率与浓度的关系等参数之间的关系，或浓度与时间等参数的关系的方程式为化学反应的动力学方程式，动力学方程式分为微分方程式和积分方程式，具体的反应的方程式要由实验来测定。

基元反应和非基元反应

基元反应 化学反应中一步实现的转化过程（直截转化成为生成物）称为基元反应。 如反应

HI I H HBr

Br H HCl Cl H 222222222=+=+=+

以上这些反应称为化学计量方程式，仅表示了反应的热力学含义（即始态和终态）并没有表示反应的动力学含义（该反应要经过几个步骤）。实际上，这三个反应进行的实际过程差异很大。如氢气与氯气的反应为：

M Cl M 2Cl (4) Cl HCl Cl H (3) H HCl H Cl (2) M 2Cl M Cl (1)2222+=++=++=++=+

以上反应实际进行的转化过程的每一步都可以称为基元反应，而三个反应的计量方程式不能称为基元反应。

如果一个化学反应，总是经过若干个简单的反应步骤，最后才化为产物分子，这种反应称为非基元反应，非基元反应是许多基元反应的总和，亦称为总反应或总包反应。一个复杂反应是经过若干个基元反应才能完成的反应，这些基元反应代表了反应的途径，在动力学上又称为反应的机理或历程。

用来表示反应进行过程的基元反应，必须经过多方的理论及实验的证明才能成立。

质量作用定律：基元反应的速率与各物质浓度以系数为方次的乘积成正比。