工程化学教案 第二章 工程化学教案一第二章化学动力学基础 主讲教师：董文魁、许力、李静萍等 使用教材：许力等编著，《工程化学》，兰州大学出版社 授课对象：非化学类各专业学生
工程化学教案 第二章 • • 1 工程化学教案——第二章 化学动力学基础 主讲教师：董文魁、许力、李静萍等 使用教材：许力等编著，《工程化学》，兰州大学出版社 授课对象：非化学类各专业学生
第二章化学动力学基础（讲授时数：6学时） 一.学习目的和要求 1.掌握化学反应速率的概念。 2.掌握浓度对化学反应速率的影响。 3.掌握温度对化学反应速率的影响。 4.掌握反应速率理论。 5.掌握催化与催化作用 6.了解多相催化与酶催化作用。 二. 本章节重点、难点 化学反应速率的概念（平均速率与瞬时速率）、浓度对化学反应速率的影响、温度对化 学反应速率的影响、反应速率理论（碰撞理论与活化络合物理论）、催化与催化作用（催化 剂与催化作用)。 三.学时分配 1.掌握化学反应速率的概念(1学时)。 2.掌握浓度对化学反应速率的影响(1.5学时)。 3.掌握温度对化学反应速率的影响(1.5学时)。 4.掌握反应速率理论(1学时)。 5.掌握催化与催化作用(1学时)。 四.教学内容： 第一节化学反应速率的概念 化学动力学是研究化学反应速率和机理的学科。影响化学反应速率的因素可概括为三 类：一是反应物的本性，二是反应物的浓度和系统的温度，压力，催化剂等宏观量，三是光， 电，磁等外场。各种化学反应的速率极不相同，有些反应进行得很快，如爆炸反应：有些反 应进行得很慢，如常温下氢、氧混合几十年都不会生成一滴水。故对化学反应速率的研究极 其重要。一个很理想的化学反应，往往由于反应太慢而不能加以应用，这时我们就要集中力 2
• • 2 第二章 化学动力学基础（讲授时数: 6 学时） 一． 学习目的和要求 1． 掌握化学反应速率的概念。 2． 掌握浓度对化学反应速率的影响。 3． 掌握温度对化学反应速率的影响。 4． 掌握反应速率理论。 5． 掌握催化与催化作用。 6． 了解多相催化与酶催化作用。 二． 本章节重点、难点 化学反应速率的概念（平均速率与瞬时速率）、浓度对化学反应速率的影响、温度对化 学反应速率的影响、反应速率理论（碰撞理论与活化络合物理论）、催化与催化作用（催化 剂与催化作用）。 三． 学时分配 1． 掌握化学反应速率的概念（1 学时）。 2． 掌握浓度对化学反应速率的影响（1.5 学时）。 3． 掌握温度对化学反应速率的影响（1.5 学时）。 4． 掌握反应速率理论（1 学时）。 5． 掌握催化与催化作用（1 学时）。 四． 教学内容： 第一节 化学反应速率的概念 化学动力学是研究化学反应速率和机理的学科。影响化学反应速率的因素可概括为三 类：一是反应物的本性，二是反应物的浓度和系统的温度，压力，催化剂等宏观量，三是光， 电，磁等外场。各种化学反应的速率极不相同，有些反应进行得很快，如爆炸反应；有些反 应进行得很慢，如常温下氢、氧混合几十年都不会生成一滴水。故对化学反应速率的研究极 其重要。一个很理想的化学反应，往往由于反应太慢而不能加以应用，这时我们就要集中力
工程化学教案 第二章 量解决提高反应速率的问题：另一方面，对于那些危险甚大的化学变化，如橡胶的老化（变 脆、变硬)、金属的腐蚀等，总希望越慢越好，即有效地控制反应的快慢。 一、 化学反应的化学反应速率 反应速率是指给定条件下反应物通过化学反应转化为产物的速率，用单位时间单位体积 内发生的反应进度来表示。 V=1 den vB dt 用此定义反应速率的优点是其数值与研究反应中物质B的选择无关。 例如：反应2+3出=2NH其反应速率为： VΨ-a21c dt 3 dt 反应速率的SI单位为mol·dm3,s,时间单位也可用min、h、d、a(年)等表示。 注意：说化学反应速率时必须和相应化学反应方程式相联系。 二、平均和瞬时化学反应速率 通常用单位时间内反应物或生成物浓度的变化量来表示化学反应速率，简称反应速率。 通式恒容反应：aA+bB→gG+dD随着反应的进行，反应物浓度减少，生成物浓度 增加，而反应速率又无负值，故DA=-△CA△t、DG=△cG△t等等，即各物质的平均反应速率 均不相同，故以来描述一个整体反应的平均反应速率。D=-l/a△ca/△t=…=1d△cD△t 实际工作中是选择其浓度变化易于测定的那种物质。 对于大多数化学反应而言，反应开始后，各物质的浓度每时每刻都在变化着，即真实的 化学反应速率指在某一瞬间的反应速率，即瞬时反应速率，U=-l/adcA/dt==ld·dcpd。 第三节速率方程的积分形式 一、 化学反应速率方程式 化学反应速率方程有固定的形式，对于aA+bB→gG+dD,化学反应速率方程为： V=k·CCg 对于基元反应（一步完成或进行的反应，成为简并反应或简单反应，符合动力学的反应）
工程化学教案 第二章 • • 3 量解决提高反应速率的问题；另一方面，对于那些危险甚大的化学变化，如橡胶的老化（变 脆、变硬）、金属的腐蚀等，总希望越慢越好，即有效地控制反应的快慢。 一、 化学反应的化学反应速率 反应速率是指给定条件下反应物通过化学反应转化为产物的速率，用单位时间单位体积 内发生的反应进度来表示。 V = 1 dcB dt 用此定义反应速率的优点是其数值与研究反应中物质 B 的选择无关。 例如：反应 N2 +3 H2 = 2NH3 其反应速率为： V = 1 dc(NH3) dt 1 3 = dc(N2) dt = dc(H2) dt 反应速率的SI单位为 mol·dm-3·s -1， 时间单位也可用min、h、d、a（年）等表示。 注意：说化学反应速率时必须和相应化学反应方程式相联系。 二、 平均和瞬时化学反应速率 通常用单位时间内反应物或生成物浓度的变化量来表示化学反应速率，简称反应速率。 通式恒容反应：aA + bB → gG + dD 随着反应的进行，反应物浓度减少，生成物浓度 增加，而反应速率又无负值，故 A = -cA/t、 G = cG/t 等等，即各物质的平均反应速率 均不相同，故以来描述一个整体反应的平均反应速率。 = -1/a cA/t = … = 1/d cD/t 实际工作中是选择其浓度变化易于测定的那种物质。 对于大多数化学反应而言，反应开始后，各物质的浓度每时每刻都在变化着，即真实的 化学反应速率指在某一瞬间的反应速率，即瞬时反应速率， = -1/a dcA/dt = … = 1/d ·dcD/dt。 第三节 速率方程的积分形式 一、 化学反应速率方程式 化学反应速率方程有固定的形式，对于 aA + bB → gG + dD，化学反应速率方程为： V = k·CA x·CB y 对于基元反应（一步完成或进行的反应，成为简并反应或简单反应，符合动力学的反应）
aA+bB→gG+dD在恒温下有：U=kcc质量作用定律，k速率常数，单位取决于 反应级数，其物理意义：反应物浓度为单位浓度时反应速率的大小。对于某一给定反应在同 一温度、催化剂等条件下，k是常数k=Ze:)。 反应的级数为a+b级，其通过实验测定。 而对于非基元反应，质量作用定律虽适用于其中的每一过程，但往往不适用于总反应。 它是以实验为依据的。 说明：质量作用定律数学表达式是基元反应的反应速率表达式，但反应速率表达式不一 定就是质量作用定律的数学表达式。 故反应速率表达式应写成：U=kcx.cB一般有x≤a、y≤b,x+y≤a+b(≤3)，x+y 可以为零级或分数级。 二、由实验确定化学反应速率方程式的简单方法一初始速率法 例：在1073K时，对于下列反应：2N0+2H→N+2H0进行反应速率的实验测定， 有关数据如下： 1、写出这个反应的速率方程式： 2、计算该反应在1073K时的k 3、当cN0)=4.0×103 mol-dm3、cH)=5.0×103 moldm3时，求u1o73k。 No. CNO)×10 CH)×10 0X10+ mol-dm3 mol-dm3 mol-dm3.s 1 6.0 1.0 3.19 2 6.0 2.0 6.36 3 60 3.0 9.56 4 1.0 6.0 0.48 5 2.0 6.0 1.92 6 3.0 6.0 4.32 解：1依题意有：2NO+2H→N2+2H0D=kc*NOc(H) 由1~3号看出：cNO) 定，cH),故y=1: 4
• • 4 aA + bB → gG + dD 在恒温下有： = kcA a·cB b 质量作用定律，k 速率常数，单位取决于 反应级数，其物理意义：反应物浓度为单位浓度时反应速率的大小。对于某一给定反应在同 一温度、催化剂等条件下，k 是常数(k = Z − E RT a e )。 反应的级数为 a + b 级，其通过实验测定。 而对于非基元反应，质量作用定律虽适用于其中的每一过程，但往往不适用于总反应。 它是以实验为依据的。 说明：质量作用定律数学表达式是基元反应的反应速率表达式，但反应速率表达式不一 定就是质量作用定律的数学表达式。 故反应速率表达式应写成： = kcA x·cB y 一般有 x a、y b，x + y a + b( 3)，x + y 可以为零级或分数级。 二、 由实验确定化学反应速率方程式的简单方法——初始速率法 例：在 1073 K 时，对于下列反应：2NO + 2H2 → N2 + 2H2O 进行反应速率的实验测定， 有关数据如下： 1、写出这个反应的速率方程式； 2、计算该反应在 1073 K 时的 k； 3、当 c(NO) = 4.0×10-3 mol·dm-3、c(H2) = 5.0×10-3 mol·dm-3 时，求1073 K。 No. C 0 (NO)×10+3 mol·dm-3 C 0 (H2)×10+3 mol·dm-3 0×10+3 mol·dm-3·s -1 1 6.0 1.0 3.19 2 6.0 2.0 6.36 3 6.0 3.0 9.56 4 1.0 6.0 0.48 5 2.0 6.0 1.92 6 3.0 6.0 4.32 解：1 依题意有：2NO + 2H2 → N2 + 2H2O = kcx (NO)·cy (H2) 由 1～3 号看出：c 0 (NO)一定， c(H2)，故 y = 1；
工程化学教案 第二章 4~6号看出：cH)一定，Uxc2N0,故x=2。 “速率方程式为：U=kcNO)·c()三级反应（非基元反应）： 2对应一个已知浓度均有一个反应速率，故k也有少许变化。 k=3.19×103[(6.0×103y×1.0×10r3]=8.86×10(dm6mo2-s … k=1/6∑k=8.4×10(dm6-mol2s) 3U1073K=kc2NOcH)=8.4×10×(4.0×103y×5.0X103= 6.4×10r3(mol.dm3.s) 三、速率方程的积分形式 零级、一级、二级反应的速率方程总结： 反应反应速 积分速率 对t的图直线 级数率方程 方程式 是直线斜率 T c(A)=-k+5(A) C(A) 0 v= -k 尖 v=kdA) ne(A)}=-+n(A)月 h.(A)】 1 -k =kc(A 2 + 而 k 四、浓度与时间的定量关系 化学反应速率与反应物浓度的一次方呈正比的化学反应为一级反应。其速率方程为： V=-=ke 将该式积分得浓度与时间的定量关系： In o=kt 反应物消耗一半所需的时间称为半衰期，符号为t2。 一级反应的半衰期为：t2=ln2k=0.693/k
工程化学教案 第二章 • • 5 4～6 号看出：c 0 (H2)一定， c 2 (NO)，故 x = 2。 速率方程式为：=kc2 (NO)·c(H2) 三级反应（非基元反应）； 2 对应一个已知浓度均有一个反应速率，故 k 也有少许变化。 k1 = 3.19×10-3 /[(6.0×10-3 ) 2×1.0×10-3 ] = 8.86×104 (dm6·mol-2·s-1 ) … k = 1/6 ki=8.4×104 (dm6·mol-2·s-1 ) 3 1073 K = kc2 (NO)·c(H2) = 8.4×104×(4.0×10-3 ) 2×5.0×10-3 = 6.4×10-3 (mol·dm-3·s-1 ) 三、 速率方程的积分形式 零级、一级、二级反应的速率方程总结： 四、 浓度与时间的定量关系 化学反应速率与反应物浓度的一次方呈正比的化学反应为一级反应。其速率方程为： V = dc dt = kc 将该式积分得浓度与时间的定量关系： ln =kt c0 c 反应物消耗一半所需的时间称为半衰期，符号为 t1/2。 一级反应的半衰期为：t1/2 = ln2/k = 0.693/k 反应 级数 反 应 速 率 方 程 积 分 速 率 方 程 式 对 t 的 图 是 直 线 直线 斜率 T 0 -k 1 -k 2 k 2 1 = k = kc(A) 2 = k[c(A)] (A) 1 (A) 1 0 c kt ct = + (A) (A) 0 c kt c t = − + lnct(A)= −kt + lnc0 (A) (A) t c lnct(A) (A) 1 t c k c 2 (A) 0 k 0.693 (A) 1 0 kc