【化学课件】化学反应速率和化学平衡课件

化学反应速率与化学平衡欢迎学习高中化学的重要章节——化学反应速率与化学平衡这是化学学科中连接微观分子运动与宏观现象变化的关键桥梁，也是高考化学的核心考点之一课程导入化学变化的时间维度生活中的反应速率化学反应的快慢直接影响我们铁制品生锈需要数月甚至数的生活质量和工业生产效率年，而果汁暴露在空气中几小从食物腐败变质到药物在体内时就会变质这些现象背后隐的代谢，都与反应速率密切相藏着什么科学原理？让我们一关起探索工业应用价值第一章化学反应速率初步定义与研究意义实验现象举例化学反应速率是描述化学反应进行快慢程度的物理量，它反映了镁条与盐酸反应产生氢气的速度很快，几秒钟内就能观察到剧烈单位时间内反应物消耗或生成物产生的程度研究反应速率有助的气泡产生；而铁与盐酸反应相对缓慢，需要较长时间才能看到于我们理解反应机理明显现象通过速率研究，我们可以预测反应的进行程度，为实验设计和工这种差异说明不同反应具有不同的反应速率，我们需要通过定量业生产提供理论依据，这在现代化学工业中具有极其重要的指导的方法来准确描述和比较这些差异意义化学反应速率的基本概念速率的定义常用单位化学反应速率是指单位时间内反最常用的单位是mol/L·s，表示应物浓度的减少量或生成物浓度每秒钟每升溶液中物质的量的变的增加量它是一个始终为正值化在某些特殊情况下也使用的物理量，反映反应的快慢程g/L·s等质量浓度单位度数学表达式对于反应aA→bB，速率可表示为v=-ΔcA/a·Δt=ΔcB/b·Δt，负号表示反应物浓度减少，正号表示生成物浓度增加表示化学反应速率的方法平均速率在较长时间间隔内的速率，计算简单但精度有限瞬时速率某一时刻的瞬间速率，通过切线斜率求得图像分析浓度-时间曲线的斜率反映速率大小理解平均速率与瞬时速率的区别对于准确描述反应进程至关重要平均速率适用于粗略估算，而瞬时速率能够精确反映某一时刻的反应状态在实际测量中，我们通常选择较短的时间间隔来近似瞬时速率，这样既保证了精度又便于计算曲线图像是直观理解速率变化的有效工具测定速率的常用方法质量法通过测定反应过程中物质质量的变化来计算速率，适用于有气体生成或消耗的反应，精度较高且操作相对简单体积法测量气体体积变化来确定反应速率，常用于气体参与的反应，需要控制温度和压强条件保持恒定颜色变化法利用反应过程中溶液颜色深浅的变化，通过比色法或分光光度法测定浓度变化，适用于有颜色变化的反应体系影响化学反应速率的主要因素温度浓度温度升高，分子运动加剧，有效碰撞频率增反应物浓度增大，单位体积内分子数增多，加，反应速率显著提高碰撞频率提高，速率加快催化剂压强提供新的反应途径，降低活化能，大幅度提对气体反应，压强增大相当于浓度增大，分高反应速率而自身不消耗子间距减小，反应速率加快浓度对反应速率的影响1理论基础根据碰撞理论，反应物浓度增大时，单位体积内的分子数增多，分子间有效碰撞的频率随之增加，从而使反应速率加快2实验验证以硫代硫酸钠与盐酸反应为例Na₂S₂O₃+2HCl→2NaCl+H₂O+S↓+SO₂↑，当HCl浓度增大时，产生沉淀的时间明显缩短3图像特征浓度-时间图显示，高浓度条件下曲线斜率更大，反应速率更快，这为工业生产中控制反应条件提供了重要依据温度对反应速率的影响经验规律温度每升高10℃，反应速率大约增加2-4倍这个规律虽然不够精确，但为我们快速估算提供了便利的参考标准分子运动理论温度升高使分子平均动能增加，运动速度加快，不仅增加了碰撞频率，更重要的是增加了有效碰撞的比例，因为更多分子获得了足够的活化能实际应用工业生产中常通过控制温度来调节反应速率，既要保证适当的反应速度，又要考虑能耗和设备安全，实现最佳的经济效益催化剂的作用提高反应速率显著加快反应进行改变反应途径提供能量更低的反应路径降低活化能减少反应所需的最低能量可重复使用反应前后质量和化学性质不变催化剂在化学工业中发挥着不可替代的作用铂、钯等贵金属催化剂广泛应用于石油化工；酶催化剂在生物体内调节新陈代谢速度催化剂的选择性还能控制反应方向，提高目标产物的产率，这为绿色化学发展提供了重要技术支撑压强的影响（针对气体反应）压强增大气体分子间距离缩小，浓度增大碰撞频率提高单位时间内分子碰撞次数增加反应速率加快有效碰撞增多，反应进行更快需要注意的是，压强变化只对有气体参与的反应产生显著影响对于液体或固体反应体系，由于物质的压缩性很小，压强变化对反应速率的影响可以忽略不计在工业合成氨反应中，就是利用高压条件来提高反应速率和产率影响速率的其他因素反应物状态搅拌条件固体反应物的颗粒大小直接影适当的搅拌能够增加反应物之响反应速率粉末状反应物比间的接触机会，特别是对于多块状反应物具有更大的表面相反应体系搅拌促进物质扩积，与其他反应物接触更充散，消除浓度梯度，使反应更分，反应速率显著加快加均匀进行光照辐射某些光化学反应需要特定波长的光照才能进行，如氯气与氢气的反应、植物的光合作用等光能为反应提供额外的活化能源速率方程初步速率常数k基本形式反映反应本身的特性，只与温度和催化v=k·[A]^m·[B]^n，其中v为反应速剂有关，与浓度无关，是反应快慢的内率，k为速率常数，[A]、[B]为反应物浓在因素度应用意义反应级数速率方程帮助我们定量预测反应速率，指数m、n称为反应级数，需通过实验为工业生产条件优化提供理论基础确定，反映浓度对速率的影响程度速率方程实验确定法实验序号[A]/mol·L⁻¹[B]/mol·L⁻¹初始速率/mol·L⁻¹·s⁻¹

10.

100.

102.0×10⁻³

20.

200.

108.0×10⁻³

30.

100.

204.0×10⁻³通过控制变量法分析实验数据实验1到2，[A]增大一倍，速率增大4倍，说明速率与[A]²成正比；实验1到3，[B]增大一倍，速率增大2倍，说明速率与[B]成正比因此可得出速率方程v=k[A]²[B]，总反应级数为3这种方法称为初始速率法，是确定速率方程的标准实验方法，广泛应用于化学动力学研究中活化能与化学反应活化能概念反应物分子发生反应所需的最低能量，如同翻越能量山峰的门槛温度的作用温度升高增加高能分子比例，更多分子具备足够的活化能点火现象提供初始能量帮助反应物克服活化能障碍，启动连锁反应易燃本质某些物质活化能较低，在常温下就能与氧气发生反应过渡态与反应路径1反应物状态反应开始时的稳定分子构型，具有相对较低的能量，但需要外界提供能量才能发生化学键的断裂和形成2过渡态反应过程中能量最高的瞬间状态，旧键部分断裂、新键部分形成，是一个极不稳定的中间状态，存在时间极短3生成物状态反应结束后形成的稳定产物，能量比过渡态低，整个反应的能量变化决定了反应的吸热或放热性质速率理论总结理论联系实际典型计算题型化学反应速率理论在食品保鲜、药物研发、环境治理等方面都有速率计算主要包括根据浓度变化计算平均速率、利用速率方程重要应用冰箱冷藏延缓食物变质，正是利用低温降低反应速率预测反应速率、分析图像确定速率变化规律等的原理解题关键是理解速率定义，正确运用速率方程，注意单位换算和工业生产中，通过调节温度、压强、催化剂等条件来控制反应速有效数字多练习不同类型的题目，掌握解题思路和技巧率，既要保证产量，又要控制成本，实现经济效益最大化第二章化学平衡基本理论可逆反应特征实验现象导入在相同条件下，既能向正反应方二氧化氮与四氧化二氮的相互转向进行，又能向逆反应方向进行化2NO₂红棕的化学反应用⇌表示，区别色⇌N₂O₄无色随温度变于不可逆反应的→符号化，混合气体颜色发生可逆变化，直观展示了化学平衡现象理论意义可逆反应的研究揭示了化学反应的本质，为理解化学平衡、预测反应方向、优化工业生产条件提供了重要的理论基础可逆反应的定义与特征双向进行动态平衡条件影响反应既能从左向右进行当正反应速率等于逆反应平衡状态会随外界条件（正反应），也能从右向速率时，各物质浓度保持（温度、压强、浓度）的左进行（逆反应），两个恒定，达到动态平衡状态，改变而发生移动，体现了方向的反应同时发生，相但分子运动并未停止化学平衡的相对性和条件互竞争性图像特征浓度-时间图显示各物质浓度逐渐趋于稳定，速率-时间图显示正逆反应速率逐渐相等并保持恒定化学平衡的定义速率相等v正=v逆浓度恒定各物质浓度不再变化宏观静止体系性质保持稳定微观运动分子反应持续进行化学平衡是可逆反应在密闭体系中达到的一种特殊状态此时正反应消耗反应物的速率恰好等于逆反应生成反应物的速率，使得各物质的浓度维持恒定这种平衡具有动态性、相对性和条件性的特点，是化学反应的重要理论基础平衡状态的本质动态平衡本质分子层面的反应从未停止，正逆反应持续进行宏观静态假象外观上各物质浓度不变，给人以静止的错觉微观分析分子运动分析揭示平衡的动态本质和统计规律化学平衡的动态本质是理解平衡理论的关键虽然宏观上看各物质浓度恒定，但在分子水平上，正反应和逆反应始终在进行这种动态平衡类似于人群进出商场的平衡状态进入和离开的人数相等时，商场内人数保持恒定，但人员流动从未停止正是这种微观的持续运动维持了宏观的相对稳定平衡常数与Kc Kp表达式表达式温度依赖性Kc Kp对于反应aA+bB⇌cC+dD，气体反应用分压表示平衡常数只与温度有关，温度确定时K值为Kc=[C]^c[D]^d/[A]^a[B]^b Kp=PC^cPD^d/PA^aPB^b定值平衡常数是描述化学平衡状态的重要物理量，它反映了在特定温度下反应的平衡程度K值大表示平衡偏向生成物，反应进行得较完全；K值小表示平衡偏向反应物，反应进行程度有限需要注意的是，纯固体和纯液体的浓度视为常数，不写入平衡常数表达式中平衡常数的应用判断反应方向比较反应程度计算平衡浓度通过比较反应商Q与平衡常数K的不同反应的K值可以比较反应的完已知初始浓度和平衡常数，可以计大小关系，可以判断反应的进行方全程度K值越大，反应越完全，算各物质的平衡浓度这在工业生向当QK时反应逆向进行，Q=K生成物浓度越高；K值越小，反应产中用于预测产物产率，优化反应时处于平衡状态越不完全，反应物浓度相对较高条件具有重要意义典型化学平衡举例450°C200反应温度反应压强工业合成氨的最适温度大气压的倍数，高压有利于合成15%平衡转化率在最优条件下氮气的转化程度哈勃合成氨反应N₂+3H₂⇌2NH₃是化学工业中最重要的反应之一这个反应是放热反应，根据勒夏特列原理，低温有利于合成氨，但温度过低反应速率太慢高压有利于反应向生成氨的方向进行，因为气体分子数减少工业上采用450℃的中等温度和200个大气压的高压条件，并使用铁催化剂来加快反应速率虽然这些条件下氮气转化率只有15%左右，但通过循环操作和氨的及时分离，可以实现高效的工业生产平衡状态的图像表现浓度时间图速率时间图--反应物浓度随时间逐渐降低，生成物浓度逐渐升高，最终都趋于正反应速率开始时最大，随反应物浓度降低而减小；逆反应速率恒定值曲线斜率反映反应速率，斜率逐渐减小直至为零开始为零，随生成物浓度增加而增大，直至两者相等达到平衡后，各物质浓度保持水平直线，这是平衡状态的典型特交点表示达到平衡状态，此后正逆反应速率保持相等且恒定这征不同物质的平衡浓度比值固定，符合化学计量数关系个图像直观地展示了化学平衡建立的动态过程平衡移动的条件与规律温度变化浓度变化升温使平衡向吸热方向移动，降温使平衡向增加反应物或减少生成物浓度，平衡正向移放热方向移动动催化剂作用压强变化催化剂同等程度地改变正逆反应速率，不影增大压强，平衡向气体分子数减少的方向移响平衡位置动勒夏特列原理原理表述如果改变影响平衡的一个条件，平衡就会向能够减弱这种改变的方向移动这是预测平衡移动方向的基本原理适用范围适用于所有处于平衡状态的体系，不仅限于化学平衡，还包括物理平衡如溶解平衡、电离平衡等各种动态平衡体系实际应用工业生产中广泛应用这一原理来优化反应条件，提高目标产物的产率，降低生产成本，实现绿色高效的化学工业生产浓度变化的影响增加反应物平衡向右移动，生成更多产物，但反应物转化率降低工业上常采用过量反应物来提高另一反应物的利用率减少反应物平衡向左移动，部分产物转化为反应物这种情况在实际生产中应当避免，因为会降低产物产率减少生成物平衡向右移动，有利于反应进行工业上常通过及时分离产物来使平衡持续向有利方向移动增加生成物平衡向左移动，不利于反应进行因此工业生产中要避免产物在反应体系中积累压强变化的影响增大压强平衡向气体分子数减少的方向移动，相当于体系减小体积来减弱压强增大的影响减小压强平衡向气体分子数增加的方向移动，体系通过增大体积来减弱压强减小的影响分子数相等当反应前后气体分子数相等时，压强变化不影响平衡位置工业应用合成氨等工业过程利用高压条件提高产率和反应速率温度变化的影响升温影响降温影响平衡向吸热反应方向移动，体系通过吸平衡向放热反应方向移动，体系通过放收热量来减弱温度升高的影响，同时反出热量来减弱温度降低的影响，但反应应速率显著加快速率会明显减慢工业权衡热化学方程式工业生产需要在反应速率和平衡产率之根据反应的ΔH值判断吸热或放热性质，间找到最佳平衡点，选择适宜的温度条ΔH0为吸热反应，ΔH0为放热反应件催化剂对平衡的影响速率影响平衡位置催化剂同等程度地提高正反应和催化剂不改变反应的热力学性逆反应的速率，使体系更快达到质，因此不影响平衡常数和平衡平衡状态，大大缩短了达到平衡位置平衡时各物质的浓度比例所需的时间保持不变工业价值工业上使用催化剂主要是为了提高反应速率，缩短生产周期，提高设备利用效率，从而降低生产成本，提高经济效益化学平衡的动态本质数据分析时间维度分子运动通过实验数据可达到平衡需要一即使达到平衡，以观察到平衡建定时间，这个过分子层面的化学立过程中各物质程中正逆反应速反应仍在持续进浓度的变化规率逐渐趋同，最行，只是宏观上律，验证动态平终相等并保持恒表现为静态平衡理论的正确定衡性统计规律大量分子的统计行为导致宏观性质的稳定，体现了微观运动与宏观规律的统一非均相平衡固体不计入纯固体浓度视为常数，不写入平衡常数表达式纯液体不计入纯液体密度恒定，浓度为常数，同样不计入表达式气体要计入气体浓度或分压随条件变化，必须写入平衡常数非均相平衡涉及不同相态的物质，如CaCO₃s⇌CaOs+CO₂g，平衡常数表达式为K=PCO₂这类反应在工业上很常见，如石灰石分解制取生石灰、金属氧化物的还原等理解非均相平衡有助于优化这些工业过程的操作条件，提高生产效率平衡图像专题

（一）浓度时间图-识图要点斜率意义观察曲线的起点、终点和斜率变化反应物曲线从高浓度开曲线斜率的绝对值表示反应速率大小斜率越大，反应速率始下降，生成物曲线从零或低浓度开始上升，最终都趋于水越快达到平衡后斜率为零，表示浓度不再变化平平衡判断作答技巧所有物质浓度都保持恒定时达到平衡可以通过水平线段来根据化学计量数关系检验浓度变化的合理性，利用平衡常数识别平衡状态，这是解题的关键信息计算验证答案的正确性平衡图像专题

（二）速率时-间图1初始阶段正反应速率最大，逆反应速率为零反应物浓度高，生成物浓度为零或很低，速率差异明显2进行阶段正反应速率逐渐减小，逆反应速率逐渐增大两条曲线逐渐接近，反映平衡的建立过程3平衡阶段正逆反应速率相等且保持恒定曲线交点表示达到平衡，此后两条线重合为水平直线速率-时间图的突变点往往对应外界条件的改变，如温度、压强或浓度的突然变化分析这些突变点可以判断具体改变了哪种条件，以及平衡移动的方向平衡图像专题

（三）产率温度压强关系-/温度产率关系压强产率关系--对于放热反应，温度升高产率降低；对于吸热反应，温度升高产对于气体分子数减少的反应，增大压强提高产率；对于气体分子率增加但温度过高或过低都会影响反应速率，需要找到最佳温数增加的反应，减小压强提高产率压强对液体反应影响很小度工业上通常在保证适当反应速率的前提下，选择有利于提高产率高压操作需要更高的设备投资和运行成本，因此工业上需要综合的温度条件这需要在热力学和动力学之间找到平衡点考虑产率提高和成本增加的关系，选择经济合理的压强工业中的化学平衡调控高产率目标通过条件优化实现最大产率高压操作200-300个大气压促进合成适宜温度3450-500℃平衡速率和产率铁催化剂提高反应速率缩短反应时间循环分离及时分离氨气并循环未反应气体合成氨工业是化学平衡理论在工业中应用的典型例子通过精确控制温度、压强和催化剂，结合产物的及时分离和原料的循环利用，实现了高效的工业化生产这个过程完美体现了化学理论指导工业实践的重要作用平衡常数与反应方向预测QK反应商小于平衡常数，反应向右进行，生成更多产物Q=K反应商等于平衡常数，体系处于平衡状态，净反应为零QK反应商大于平衡常数，反应向左进行，消耗部分产物反应商Q的计算方法与平衡常数K相同，但使用的是任意时刻的浓度而非平衡浓度通过比较Q与K的大小关系，可以准确预测反应的进行方向，这在工业生产中具有重要的指导意义例如，当Q化学反应的限度与产率100%75%理论产率平衡产率化学计量计算的最大可能产率平衡限制下的实际最大产率60%工业产率考虑副反应和操作损失的实际产率化学反应的限度由平衡常数决定，它限制了反应能够进行的最大程度实际生产中的产率受到多种因素影响平衡限制、副反应的发生、操作过程中的物料损失等提高产率的策略包括选择合适的反应条件使平衡有利于产物生成、使用选择性好的催化剂减少副反应、优化工艺流程减少操作损失、采用反应-分离耦合技术等先进方法高考真题剖析速率考点速率计算题型根据浓度变化数据计算平均速率，注意单位统一和化学计量数的关系常考察不同物质表示的速率之间的换算关系图像分析题型从浓度-时间图或速率-时间图中读取信息，判断反应速率的变化规律，分析外界条件对反应速率的影响实验探究题型设计实验方案测定反应速率，分析影响因素，解释实验现象要求掌握控制变量法和实验数据处理方法速率方程题型根据实验数据确定速率方程，计算速率常数和反应级数需要熟练掌握初始速率法的应用高考真题剖析平衡考点平衡状态判断平衡移动分析平衡常数计算根据给定条件判断体根据勒夏特列原理分根据平衡浓度计算平系是否达到平衡状析外界条件改变对平衡常数，或根据平衡态，掌握平衡状态的衡的影响，预测平衡常数和初始条件计算各种判断标准，如速移动方向，计算平衡平衡浓度要注意温率相等、浓度恒定、移动后各物质浓度的度对平衡常数的影宏观性质不变等变化响工业应用分析结合具体的工业生产实例，分析条件选择的原理，解释为什么选择某种温度、压强和催化剂条件小结速率与平衡的内在联系速率决定快慢平衡决定程度反应速率决定达到平衡的时间，影响生化学平衡决定反应能进行的最大程度，产效率和工艺设计，是动力学因素影响产物产率，是热力学因素工业权衡催化剂作用4工业生产需要在反应速率和平衡产率之催化剂改变反应速率但不影响平衡位间找到最佳平衡点置，体现了动力学与热力学的区别。