大学基础课程无机化学课件p化学反应的方向速率和限度修改

化学反应的方向性、速率与平衡欢迎来到无机化学基础课程本课件将深入探讨化学反应的三个关键方面方向性、速率和平衡这些概念对理解化学过程至关重要化学反应概念回顾定义反应物化学反应是物质组成和性质参与反应的初始物质发生改变的过程产物能量变化反应后生成的新物质反应过程中可能吸收或释放能量化学反应的驱动力自由能的变化吉布斯自由能决定反应自发性的关键热力学函数自由能变化ΔG=ΔH-TΔS，其中ΔH为焓变，ΔS为熵变自发性判断ΔG0，反应自发进行；ΔG0，反应不自发正自发反应和非自发反应正自发反应非自发反应ΔG0，反应自动进行，无需外界能量输入ΔG0，反应不能自动进行，需要外界能量输入自发性和温度的关系低温1焓变（ΔH）主导反应自发性高温2熵变（ΔS）对反应自发性影响增大转变温度3ΔG=0时，反应方向发生改变活化能和反应速度活化能定义阿伦尼乌斯方程反应物转化为产物所需跨越k=Ae^-Ea/RT，描述活的能量障碍化能与反应速率常数的关系低活化能高活化能反应更容易进行，速率较快反应较难进行，速率较慢碰撞理论和过渡态理论碰撞理论过渡态理论反应发生需要分子有效碰撞，具备足够能量和合适方向反应经历高能中间态，称为过渡态或活化络合物影响反应速率的因素温度浓度升高温度通常加快反应速率增加反应物浓度通常加快反应速率催化剂降低活化能，加快反应速率温度对反应速率的影响升高温度增加分子动能，提高有效碰撞频率玻尔兹曼分布描述分子能量分布，高温时更多分子具有足够能量速率常数温度升高，速率常数增大，反应加快浓度对反应速率的影响碰撞频率有效碰撞12浓度增加，分子碰撞频率反应物浓度越高，有效碰提高撞概率越大反应级数速率方程34反应速率与反应物浓度的描述反应速率与浓度的定幂次关系量关系催化剂对反应速率的影响降低活化能1提供反应新途径2增加反应速率3不改变反应平衡4不消耗在反应中5反应动力学的实验测定浓度测定法压力测定法定期测量反应物或产物浓度适用于气体反应，测量压力变化变化光谱法电导率法利用物质的光谱特性跟踪反测量溶液电导率变化，适用应进程于离子反应反应级数的确定零级反应1速率与浓度无关，呈直线变化一级反应2速率与浓度成正比，呈指数衰减二级反应3速率与浓度的平方成正比反应速率常数的测定初速率法测定不同初始浓度下的反应初速率积分法根据浓度-时间关系曲线确定速率常数半衰期法测定反应物浓度减半所需时间活化能的求解阿伦尼乌斯公式实验方法ln k=ln A-Ea/RT，其中k为速率常数，A为指前因子测定不同温度下的速率常数，绘制ln k对1/T的图像化学反应平衡的概念动态平衡可逆性正反应速率等于逆反应速率反应可以双向进行平衡组成微观可逆性反应物和产物浓度保持恒定分子水平上正逆反应持续进行影响平衡状态的因素温度压力改变平衡常数和平衡组成影响气相反应的平衡浓度改变平衡组成但不影响平衡常数平衡常数的定义和测定定义浓度测定法Kc=[C]^c[D]^d/测量平衡时各物质的浓度[A]^a[B]^b，反应aA+bB⇌cC+dD部分压力法电导率法对气相反应，测量平衡时各适用于离子反应，测量溶液气体的分压电导率勒夏特列原理原理陈述平衡系统受到外界干扰时，系统会移动以减弱这种干扰应用范围适用于温度、压力、浓度等因素的变化平衡移动系统通过调整组成来抵消外界变化的影响温度对平衡状态的影响吸热反应放热反应升高温度使平衡向产物方向移动，有利于产物生成升高温度使平衡向反应物方向移动，不利于产物生成压力对平衡状态的影响增加压力1平衡向分子数减少的方向移动减小压力2平衡向分子数增加的方向移动分子数不变3压力变化对平衡无影响浓度对平衡状态的影响增加反应物浓度减少反应物浓度12平衡向产物方向移动平衡向反应物方向移动增加产物浓度减少产物浓度34平衡向反应物方向移动平衡向产物方向移动催化剂对平衡状态的影响平衡组成平衡常数催化剂不改变平衡组成催化剂不影响平衡常数达平衡速度选择性催化剂加快正反应和逆反应某些催化剂可提高特定产物速率，加速达到平衡的选择性化学反应的方向性分析反应商QQ=[C]^c[D]^d/[A]^a[B]^b，与平衡常数K比较QK反应向正方向进行，生成更多产物QK反应向逆方向进行，生成更多反应物Q=K系统处于平衡状态，不发生净反应自发性与热力学稳定性自发过程热力学稳定性系统自发向更稳定状态转变，总自由能降低系统达到最低自由能状态时最稳定，不再发生自发变化平衡常数与自发性的关系标准自由能变K1ΔG°=-RT lnKΔG°0，正向反应自发K1K=1ΔG°0，逆向反应自发ΔG°=0，系统处于平衡反应历程中的自发性变化初始状态1系统偏离平衡，ΔG0反应进行2自由能持续降低，反应自发进行平衡状态3达到最低自由能点，ΔG=0实例分析氨的合成温度压力催化剂400-450°C，平衡收率降低但反应速200-300atm，高压有利于氨的生成铁催化剂，加速反应达到平衡率提高总结与展望方向性速率自由能变化决定反应自发性活化能和反应条件影响反应速度平衡未来研究动态平衡状态受多种因素影深入探索反应机理，开发新响型催化剂。