《化学反应原理全》课件

化学反应原理全本课程涵盖化学反应的基本原理、热力学、动力学和平衡通过系统学习掌握化学变化的本质规律建立反应预测、控制和优化的科学思维化学反应与物质变化化学反应定义物理变化化学变化物质组成发生变化只改变形态或状态分子结构重组形成新物质的过程成分不变生成新物质化学反应常见类型分解反应一种物质分解为多种化合反应多种物质合成一种置换反应元素相互置换位置复分解反应两种化合物交换成分反应中的能量变化吸热反应放热反应吸收热量进行释放热量进行反应后温度降低反应后温度升高例光合作用例燃烧反应能量图解能量坐标表示变化反应路径显示过程符号与表达式化学方程式状态符号能量符号反应方向系数配平固体液体焓变正向进行s lΔH→守恒原则气体水溶液吸热放热⇌可逆反应g aq↑↓反应热力学基础环境边界与体系交换能量部分体系与环境分界面热力学体系能量守恒研究对象部分体系能量变化环境能量变化=内能与焓1内能U体系所含全部能量分子动能势能+2焓HH=U+PV恒压过程热量变化3内能变化ΔUΔU=Q+W热量功Q W4焓变ΔHΔH=ΔU+ΔPV恒压:ΔH=Q反应热的测量与描述热量计测量反应放出吸收热量/热化学方程式包含热效应的方程式恒容量热计测量ΔU恒压量热计测量ΔH焓变与热效应放热反应ΔH0吸热反应ΔH0热中性ΔH≈0焓变与标准摩尔反应热反应类型定义常见数值范围标准燃烧热标准状态下完全燃烧至-200-2000kJ/mol摩尔物质1标准生成热由元素生成摩尔化至1±100±800kJ/mol合物标准相变热摩尔物质状态改变至11100kJ/mol盖斯定律应用热化学路径无关性反应热与路径无关，只与初末状态有关方程式代数处理方程式相加减对应反应热也加减未知热计算利用已知热计算未知反应热反应熵变S熵系统混乱程度测量ΔS0熵增混乱度增加ΔS0熵减有序度增加J/mol·K熵单位焦每摩尔每开尔文吉布斯自由能ΔG定义ΔG0自发反应ΔG=ΔH-TΔSΔG=0ΔG0平衡状态非自发反应与的关系ΔG K热力学三大定律热力学零定律相互平衡的系统间接平衡温度概念基础热力学第一定律能量守恒ΔU=Q+W热力学第二定律熵增原理热量不能完全转化为功热力学习题与拓展掌握热力学计算的关键步骤注意标准状态条件设定建立反应路径的正确思路是解题核心化学反应速率基础速率定义速率表达测量方法单位时间内反应物浓度变化浓度、压力、颜色变化监测v=-Δ[A]/Δt=Δ[B]/Δt反应速率影响因素浓度/压强增大浓度通常加快反应温度升高温度加快大多数反应催化剂提供反应新路径降低活化能接触面积增大接触表面加快反应速率方程与级数级数速率方程特点零级速率恒定v=k一级速率正比于浓度v=k[A]二级或速率正比于浓度平方v=k[A][B]k[A]²复合级为总级数v=k[A]ᵐ[B]ⁿm+n反应级数与速率常数经验方法机理方法k的单位通过实验测定反应机理推导零级:mol/L·s数据拟合得到基元反应组合一级:s⁻¹二级:L/mol·s阿伦尼乌斯方程活化能定义反应发生所需最小能量能垒反应物需克服的能量障碍催化作用降低活化能加速反应碰撞理论与有效碰撞碰撞频率有效碰撞分子间相遇次数能量超过活化能正比于分子浓度方向适宜的碰撞频率因子A分子空间取向碰撞几何效应过渡态理论反应物1初始状态活化配合物2高能不稳定中间体过渡态3能量最高点生成物4最终稳定状态催化剂与催化原理正催化剂负催化剂催化循环加速反应进行减慢反应速率催化剂不消耗催化机理提供低活化能路径催化剂生活应用举例工业催化生物催化2哈伯合成氨酶催化石油裂化消化过程食品加工汽车尾气处理氢化油脂三元催化转化器速率测定方法滴定法不同时间取样滴定分光光度法监测吸光度变化压力测量法气体反应压强变化电导法溶液电导率变化动力学例题解析问题类型解题思路常见技巧半衰期求解问题确定级数应用对应公式计算图像识别法快速判断级数→→动力学整体回顾基础概念影响因素速率定义与表达浓度温度催化剂活化能速率方程阿伦尼乌斯方程级数与速率常数化学平衡基本概念平衡状态动态平衡正逆反应速率相等微观过程持续进行宏观性质不再变化可观测量恒定可逆反应正逆反应都能进行用双箭头⇌表示化学平衡常数K定义产物浓度乘积比反应物浓度乘积K大平衡向产物方向移动K小平衡向反应物方向移动浓度平衡常数Kc⇌Kc aA+bB[cCC]^+cd[DD]^d/[A]^a[B]^b浓度平衡常数反应方程Kc表达式物质的摩尔浓度比值、、、为计量数幂指数为计量数a bc d压强平衡常数Kp平衡的移动原理勒沙特列原理影响因素系统受到扰动时浓度变化平衡向减弱扰动方向移动温度变化压强变化催化剂添加浓度对平衡的影响增加反应物浓度平衡向产物方向移动减少反应物浓度平衡向反应物方向移动增加产物浓度平衡向反应物方向移动减少产物浓度平衡向产物方向移动温度对化学平衡的影响放热反应升温使减小，平衡左移:K吸热反应升温使增大，平衡右移:K温度是唯一能改变值的因素K压强体积对气体反应平衡影响/气体分子数增加反应气体分子数减少反应气体分子数不变反应增压促进气体分子数减少方向增压促进气体分子数减少方向改变压强不影响平衡位置惰性气体与催化剂对平衡的影响惰性气体影响催化剂影响恒容无影响不改变平衡位置:恒压可能影响平衡不改变值:K加速达到平衡工业应用选择适当催化剂控制达平衡时间平衡常数的计算例题气相反应液相反应技巧分压计算平衡浓度计算表格法Kp KcICE转换公式计算初始浓度与变化量关系代数方程解法Kc平衡图像分析平衡与自发性比较自发过程ΔG0平衡状态ΔG=0二者关系ΔG°=-RTlnKK值预测K1,ΔG°0K1,ΔG°0平衡理论拓展复杂反应系统多步反应平衡处理非理想溶液2活度代替浓度界面反应表面吸附平衡酸碱平衡应用酸碱类型平衡常数计算pH强酸强碱几乎完全电离⁺/pH=-log[H]弱酸⁺Ka=[H][A⁻]/[HA]pH≈1/2pKa-logC弱碱Kb=pOH≈1/2pKb-logC⁺[OH⁻][BH]/[B]缓冲溶液抗变化pH=pHpKa+log[A⁻]/[HA]沉淀平衡与溶度积Ksp溶度积难溶电解质离子积Qsp离子积实际离子浓度积KspQsp未饱和固体继续溶解KspQsp过饱和沉淀生成配位反应平衡定义稳定常数中心金属与配体结合平衡表示配合物稳定性Kf2分析应用逐步配位滴定法多步骤配位过程EDTA氧化还原反应与电极电势氧化反应失电子过程还原反应得电子过程电极电势衡量得失电子能力能斯特方程E=E°-RT/nFlnQ化工实例哈柏法合成氨反应原理优化条件工业流程⇌温度压缩反应冷却分离循环N₂+3H₂2NH₃:400-450°C→→→→压力ΔH=-92kJ/mol:200-300atm催化剂:Fe+K₂O+Al₂O₃反应原理在环境保护中的应用大气化学臭氧层平衡反应催化转化污染物水处理废水氧化还原反应沉淀法去除重金属土壤修复微生物催化降解酸碱平衡调整绿色技术高效催化剂设计反应工艺优化反应原理前沿发展绿色化学原子经济性反应设计环境友好催化剂常温常压反应条件纳米催化高活性纳米催化剂选择性提高倍100可回收利用计算化学反应机理模拟量子化学计算人工智能辅助设计小结与展望掌握反应三大支柱热力学、动力学和平衡建立科学思维，发展解决实际问题能力为专业课程和科研工作奠定理论基础。