化学反应动力学考题及答案

研究生课程考试成绩单

（试卷封面）

任课教师签名：

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注：1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。“简要评语”栏缺填无效。

2. 任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。

3. 学位课总评成绩以百分制计分。

第一部分

1.简答题

（1）简述化学反应动力学与化学反应热力学、化学反应工程的关系。

答：化学反应动力学与化学反应热力学是综合研究化学反应规律的两个不可缺少的重要组成部分。由于二者各自的研究任务不同，研究的侧重而不同，因而化学反应动力学与化学反应热力学既有显著的区别又互有联系。

化学反应热力学特别是平衡态热力学是从静态的角度出发研究过程的始态和终态，利用状态函数探讨化学反应从始态到终态的可能性，即变化过程的方向和限度，而不涉及变化过程所经历的途径和中间步骤。所以，化学反应热力学不考虑时间因素，不能回答反应的速率历程。因此，即使一个反应在热力学上是有利的，但如果在动力学上是不利的，则此反应事实上是不能实现的。因此，要开发一个新的化学过程，不仅要从热力学确认它的可能性，还要从动力学方面研究其反应速率和反应机理，二者缺一不可。从研究程序来说，化学反应热力学研究是第一位的，热力学确认是不可能的反应，也就没有必要再进行动力学的研究。显然只有对热力学判定是可能的过程，才有进行动力学研究的必要条件。

（2）简述速控步、似稳态浓度法、似平衡浓度法的适用条件及其应用。

答：速控步：连续反应的总反应的速率决定于反应速率常数最小的反应步骤——最难进行的反应，称此为决定速率的步骤。此结论也适应于一系列连续进行的反应；而且要满足一个条件即反应必须进行了足够长的时间之后。

似稳态浓度法：是对于不稳定中间产物的浓度的一种近似处理方法，视之近似看作不随时间变化，不仅常用于连续反应，对于其他类似的反应只要中间物不稳定，也可适用。

似平衡浓度法：在一个包括有可逆反应的连续反应中，如果存在速控步，则可以认为其他各反应步骤的正向、逆向间的平衡关系可以继续保持而不受速控步影响，且总反应速率及表观速率常数仅取决于速控步及它以前的反应步骤，与速控步以后的各步反应无关。

对于综合反应进行简化处理的方法有：①对于平行反应，总反应速率由快步反应确定；②对于连续反应，总反应速率由慢步反应确定，一般把中间物质视为不稳定化合物，采用似稳态浓度法处理；③对于可

逆反应，总反应速率即为净反应速率，由正、逆反应速率确定，在反应进行足够长时间后，假定反应达到平衡，采用似平衡法处理。

（3）简述平行反应、连续反应、可逆反应、自催化反应的主要反应动力学特征。

答：平行反应：若某一组作为反应产物同时参加两个或两个以上基元反应时，此复杂反应称为平行反应。主要特征如下：①平行反应速率取决于快步反应；②平行反应表现活化能量，其所含诸反应的微分活化能对反应速率常数的带权平均值；③高温时，表现反应速率常数与活化能均由指前因子和活化能都较小的反应来确定；④平行反应中计量方程的反应物部分相同，且反应级数也相同，则产物量之比等于反应速率常数之比，即反应过程中各产物数量之比恒定，可适当选择催化剂或调节温度提高目标产物的数量；不同级次平行反应，随时间推移对低级次反应有利；多组元平行反应中，选择性大小将同时决定于各反应速率常数和所用组元的相对量。

连续反应：若某一组元一方面作为某基元反应的产物生成，同时又作为另外基元反应的反应物而消耗且不再生，此称为连续反应。一级连续反应的特征有：①总反应速率决定于反应速率最小的反应步骤，即速控步；②连续反应中有不稳定中间产物生成可采用似稳态浓度法。

可逆反应：正逆反应都以显著速度进行的反应。主要特征如下：①净反应速率等于正逆反应之差，当平衡时，净反应速率为零；②反应平衡常数为正逆反应速率常数之比，取决于温度；③对于可逆吸热反应，升高温度，平衡常数增大，平衡正向移动，对于可逆放热反应，升高温度，平衡常数减小，平衡反向移动；

④反应物或产物浓度对正逆反应速率均有影响，但不能改变平衡常数；⑤反应程度受反应热力学平衡条件限制。

自催化反应：指的是反应产物本身具有催化作用能加速反应的进行。主要特征如下：①反应速率同时受反应物浓度及产物浓度的影响；②自催化反应必须加入微量产物才能启动，在反应初始阶段有一个速率由小到大的启动过程；③自催化反应过程中会有一个最大反应速率出现。

（4）简述气液反应的类型及其动力学特征。

答：气液反应有以下类型：①极慢反应过程：气相组分由气相主体向气液相界面的扩散速率及由相界面向液相主体的扩散速率远大于该组分的反应消耗速率，以致可以忽略该组分在气液膜中的传质阻力，整个过程由化学反应过程步骤控制。

②慢反应过程：气相组分由气相主体向气液相界面的扩散速率及由相界面向液相主体的扩散速率远大于该组分的反应消耗速率，但尚未达到可以忽略该组分在气液膜中的传质阻力的程度，化学反应主要在液相主体发生，可忽略液膜内的反应。

③中速反应：反应在液膜及液相主体中均有发生，即不可忽略液膜内的反应。

④快速反应：反应在液膜中进行，气相组份在液膜内已完全消耗掉，液相主体中没有气相主体，可以忽略液相主体中进行的反应。

⑤瞬时反应：气液反应速率远大于反应组份在气液两侧膜内的传质速率，以致在液膜内反应组分不能共存，反应在液膜内的某个面上进行，反应面在液膜内的位置取决于气相组份分压、液相组份浓度。 （5）简述在气固反应动力学实验研究中，如何消除内、外扩散的影响。

答：先要进行预实验，确定合适的气流速度，固相催化剂粒径不等，第一步先进行内扩散消除实验，对不同粒径大小的催化剂进行反应动力学研究，取反应速率最大的相应粒径，即消除内扩散影响；采用内扩散消除实验所确定的固相粒径在不同进气流速下进行外扩散消除实验，取最大反应速率相应进气流速即可消除外扩散的影响。

2．（1）试设计采用热天平研究煤气化反应或煤燃烧反应动力学参数的实验方法。

解：煤气化反应的主要步骤：22H O C H CO +→+

用热重法测定反应动力学参数，设置时间间隔是△t=0.5min ，记下热重仪的读数：

通过改变水蒸气流量，得到不同的水蒸气反应浓度c 1、c 2、c 3。当流量不同时，反应器中速率不同。分别测三个浓度下热重仪读数随时间的变化，根据煤质量减少判断水蒸气浓度的减少，利用分数寿期法计算反应级数：

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取对数得：

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作图lgC(0)—lg(t 0)由直线的斜率求得n 。

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r kC dt =-

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1n r kC =，22n

r kC = 求得lgr=lgk+nlgC ，以lgr 对lgC 作图，得一直线斜率为n ，截距为lgk 。