化学反应速率和化学平衡

-1-第四章化学反应的速率与化学平衡课时目标【知识教学目标】1．掌握化学反应速率的表示方法；化学平衡的定义和特征；平衡常数的表达式；浓度、温度、催化剂对化学反应速率的影响；浓度、压强、温度对化学平衡移动的影响。2．熟悉化学反应速率理论【能力培养目标】1．熟练写出平均速率的表达式；化学反应的平衡常数表达式。2．学会利用浓度、温度的变化判断化学反应速率的变化；利用浓度、压强和温度的变化判断化学平衡移动的方向。重点掌握反应速率的影响因素；化学平衡和平衡常数；平衡移动的影响因素。难点平衡常数的理解、化学平衡移动方向判断教学方法讲授法、讨论法、演示法课时数4使用教具多媒体课件及实验演示参考资料1．《无机化学》北京师范、华中师范、南京师范等校合编，高等教育出版社。面向21世纪课程教材。2．《无机化学》黄南珍主编，人民卫生出版社。全国高等职业技术教育卫生部规划教材。3．《大学基础化学》北京大学《大学基础化学》编写组，高等教育出版社。普通高等教育“九五”国家教委重点教材。4．《无机化学》侯新初主编，中国医药科技出版社。普通高等专科教育药学类规划教材。5．《无机化学》巫碧辉主编，上海科学技术出版社，高等医药院校教材。学习体会本章的核心知识是化学反应速率，要从宏观和微观角度去认识化学反应速率的知识，掌握相关的概念和定律。而化学平衡从微观看是一个反应中有两个方向相反的速率，并且在速率相等时的状态，从宏观看则是化学反应中动态与静态相互制约及相互转化的相关知识，而静是受什么因素所制衡，动是受什么因素所驱使，只有把这些最本质的基本点掌握，才能真正学好本章的内容。个人体会是：首先要弄清楚化学反应速率与哪些因素有关？在可逆反应中，正反应速率和逆反应速率在外界条件改变时，它们改变的程度如何？方向是朝着速率更大的一方移动。教学中要多运用启发讨论方式教学，多利用图表来解释一些知识点，适当增加思考题的量。平衡移动可通过演示实验加深对知识的理解，并把培养学生分析和思考问题的能力作为目标之一。第四章化学反应的速率与化学平衡内容安排：§4-1~学时21．导入2．化学反应速率定义和单位。3．同一反应中，不同物质表示的速率。4．同一反应，系数与各物质表示的速率之间的关系。5．平均速率和真实速率。6．碰撞理论7．活化分子、活化分子百分数和活化能。8．过渡态理论和反应速率与活化能关系。9．总结-2-10．浓度对化学反应速率的影响及原因。11．基元和非基元方程。12．质量作用定律及k的意义和影响因素等。13．压强对化学反应速率的影响及原因。14．温度对化学反应速率的影响及原因。15．催化剂定义及高选择性。16．催化剂改变速率的原因及对可逆反应影响之特点。总结第一节化学反应速率一、化学反应速率的概念和表示方法导入：举反应速率相关的例子。铁生锈一年要浪费1/4的钢材，消化一顿饭如果没有酶，要花50年时间……我们希望铁生锈尽量慢一点，而铁矿石炼成铁尽量快一点，这些都是化学反应速率的内容。(可用问句方式表达)1．化学反应速率(υ)的定义对于某一化学反应，用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示该化学反应的反应速率。浓度增加或减少应取正值。2．化学反应速率(υ)的表示式υ＝tc变化所需时间变化值某反应物或生成物浓度3．化学反应速率(υ)的单位如果浓度单位用mol·L—1，则速率的单位就为mol·L—1·s1、mol·L—1·min—1或mol·L—1·h—1。4．同一反应，不同物质表示的速率值不同，而各反应速率的比等于反应方程式中相应物质化学式前面的系数比。例如：在某一给定的条件下，合成氨的反应；N2＋3H22NH3初始浓度(mol·L—1)4.06.004秒末浓度(mol·L—1)3.64.80.8选定不同的物质计算该反应的反应速率，分别为：υ（N2）＝1.040.46.3)2(tCNmol·L—1υ（H2）＝3.040.68.4)2(tCHmol·L—1υ（NH3）＝2.0408.0)3(tCNHmol·L—1注意：虽然它们代表同一化学反应的反应速率，但数值不同。实际工作中一般常选择浓度变化值易于测定的物质作为计算依据。而υ(N2):υ(H2):υ(NH3)＝0.1:0.3:0.2=N2的系数:H2的系数:NH3的系数-3-=1:3:2现在国际单位制建议将dc/dt值除以反应方程式中各自化学式前面的系数，这样一个化学反应就只有一个反应速率值。υdtdcedtdcddtdcbdtdcaEDBA11115．真实速率和瞬时速率我们通常所计算的反应速率是指在某一时间内(△t)的平均速率。时间间隔越短，△t越小，反应的平均速率就越接近瞬时速率。瞬时速率是△t趋近于零时，平均速率的极限，瞬时速率确切地表示了化学反应在某一时刻的真实速率。提示：如果求的是某浓度下的速率，指真实速率，如果求浓度变化的速率，则指平均速率。讨论：书P76中的ν是什么速率。是真实速率。二、化学反应的活化能与反应热(一)化学反应速率理论简介1．碰撞理论(1)有效碰撞①反应的本质：化学反应是旧分子向新分子转变的过程，其中原子本身并没有发生根本变化，只是结合方式改变了，其实质是反应物分子中的旧键逐渐断裂，新键逐渐生成的过程。当分子有足够的能量时，才可形成这种转化过程。②碰撞理论的观点：化学反应产生的先决条件是分子间必须互相碰撞，但每次碰撞未必都能发生化学反应。据测定，在标准状态下，分子相互碰撞频率的数量级高达1032次·dm-3·s—1，如果每一次碰撞都能发生反应，那么所有气体反应物之间的反应都会爆炸性地发生，而事实并非如此。为此，提出了有效碰撞理论。即：在气体反应中，反应物分子进行了无数次碰撞，而只有极少数能量较高的分子间碰撞才能发生反应，这些能发生反应的碰撞称为有效碰撞。可见，碰撞是分子间发生反应的必要条件，而有效碰撞才是它的充分条件。(2)活化分子与活化能：能够发生有效碰撞的分子称为活化分子。它具有比一般分子更高的能量。活化分子在总分子数中占有一定的百分数(A)，活化分子百分数(A)越大，则有效碰撞次数越多，反应速率就越快。在一定的条件下，体系中反应物分子具有一定的平均能量(E)，那么活化分子的最低能量(E*)与反应物分子的平均能量(E)之差称为活化能(Ea)，即：Ea=E*—E不同的物质有不同的组成、结构和键能，它们进行化学反应时的活化能也不同。活化能越大，ν就越慢。反应的活化能(Ea)的大小是决定化学反应速率大小的主要因素。实践证明，活化能小于42kJ·mol—1的反应，反应速率很大，可瞬间完成，而活化能大于420kJ·mol—1的反应，其反应速率很小。有效碰撞理论对不同相和复杂分子间的反应。碰撞理论不能很好地解释。2．过渡态理论该理论认为：化学反应在经过旧键松弛断裂，新键形成的过程中，产生了“活化络合物”，也称为“过渡态”，然后再转化为产物(这当中也有部分过渡态重新转变为反应物)。例如：反应物A与BC反应的过程可表示为：A＋BC====[A……B……C]====AB＋C-4-反应物活化络合物(过渡态)生成物“活化络合物”很不稳定，它所具有的势能高于反应物和生成物的势能，在反应物转化为生成物时就形成了一个能垒。该能垒就是活化能。它是“活化络合物”具有的最低能量与反应物分子最低能量之差。具体情况如图4-l所示。图4-1反应物到生成物的能量变化图反应进行时需要克服的能量障碍越大，要越过的能峰越高，说明反应的活化能越大，活化分子数就会越少，反应进行的速率就越慢；反之，反应速率越快。这个结论与碰撞理论一致。△H表示反应体系中能量的变化，又叫焓变。△H=生成物能量-反应物能量。其值=Q，符号相反。对于可逆反应(反应物和生成物在反应中相互转化)，由反应物转化为生成物和生成物转化为反应物，体系的焓变值相等，但反应的活化能不同，上图放热反应的活化能小于吸热反应的活化能，吸热反应对ν的影响更大。练习题：已知HCl+NaOH=NaCl+H2O比CH3COOH+NaOH=CH3COONa+H2O快，则活化能小的反应是_____，其体系中的活化分子数更_____。问：H2+1/2O2===H2O-△H和相反的反应，哪个速率更大？三、影响化学反应速率的因素导入：①速率影响因素导入：作为一个药厂设计者一定会考虑在现有的条件下，如何加快生产的速度等问题，因此，我们必需知道外界条件是如何影响反应的速率的。影响化学反应速率的因素包括内因和外因。内因是反应的活化能。内因是影响化学反应速率的决定因素。外因有很多，主要有浓度、压强、温度、催化剂等。(一)浓度对化学反应速率的影响1．基元反应和非基元反应基元反应定义：在化学反应中，对一步完成的化学反应。非基元反应定义：在化学反应中两步或两步以上完成的化学反应。例如H2和Br2反应生成HBr：Br2====2BrBr＋H2HB＋HH＋Br2HBr＋Br总反应式为：H2＋Br2====HBr，它是一个非基元反应。过渡态反应物生成物△HEa-5-如：CO＋NO2CO2＋NO它是一个一步完成的反应，因此它是基元反应。2．浓度对化学反应速率的影响演示实验：将两支试管编号，在①号试管中加0.1mol·L—1Na2S2O3，溶液2ml；在②号试管中加人0.1mol·L—1Na2S2O3溶液和蒸馏水各lml。将0.1m01·L—1H2SO4溶液2ml，同时分别倒人上述两试管中。反应为：Na2S2O3＋H2SO4====Na2SO4十SO2＋S↓＋H2O实验结果是：①号试管先出现浑浊。即反应物浓度越大，反应速率越快。结论：反应物的浓度增加，化学反应速率增大，反之成立。理论解释：在反应条件一定时，反应物分子中活化分子百分数是一恒定值。而反应物活化分子浓度=反应物浓度×活化分子百分数。增大反应物浓度等于增大了活化分子总数，使反应速率增大；反之，反应速率减小。3．质量作用定律在恒温下，基元反应的化学反应速率与各反应物浓度幂的乘积成正比。其中各浓度的幂指数分别等于反应方程式中各反应物分子式前的系数。设基元反应的化学反应式为：mA＋nB===pC＋bD则质量作用定律可表示为：υ=k·CmACnB上述表达式又称为速率方程。k为速率常数，它表示为在一定温度下，反应物为单位浓度时的反应速率。k是一个特征常数，其数值不随浓度的改变而改变，但与反应温度和催化剂有关，与反应物的本性有关。因此在相同的条件下，不同的化学反应有不同的k值；在同一化学反应中，不同的温度和催化剂条件下也有不同的k值。要注意，在质量作用定律关系式中，只包括气体反应物或溶液中的溶质，不包括固态和纯液态反应物，因为固态和纯液态物质的浓度可视为常数。例如：(1)NO2＋CO====NO＋CO2速率方程为υ====k·CNO2·Cco(2)C(s)＋O2(g)CO2(g)速率方程为υ=k·Co2质量作用定律只适用于基元反应。非基元反应，其速率方程必须依据实验数据来确定。例如：2NO＋2H2===N2＋2H2O实验测出该反应的速率方程为：υ=k·C2NO·CH2而不是：υ=k·C2NO·CH2请同学们讨论并思考，质量作用定律的υ与本章开始定义的各种反应速率的概念有什么相同和不同？它应该是哪一个反应速率概念？k与压强有没有关系？为什么温度和催化剂对k有影响？还有什么样的外界条件会影响k？什么样的不影响k？纯固态和纯液态为什么可看作常数？这里的纯液态是一个什么样的反应体系？(二)压强对化学反应速率的影响条件：压强只对有气体参加的化学反应的反应速率有影响。-6-原因：压强改变使气体的体积发生改变，从而改变了气体的浓度。因此压强对化学反应速率的影响，实质上就是浓度对化学反应速率的影响。结论：增大压强，化学反应的速率增大；减小压强，化学反应速率减小。压强对固体、液体的体积影响很小，可以认为不影响固体或液体的反应速率。(三)温度对化学反应速率的影响实例：夏季食物易腐败变质；氢气和氧气室温下几乎不发生反应，加热至600℃左右，反应瞬间完成。实验演示：在两支试管中均加入0.1mol·L—1Na2S2O3溶液2ml，插入分别盛有热水和冷