研究生精品课程建设教案第一章化学动力学（一）教学设计1.1本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面①有关化学动力学及反应机制的基本概念②氧化和结晶动力学实例1.2本章节重点本章节重点：掌握基元反应、反应动力学、反应级数本章节难点：半衰期的理解与应用、反应机制理解与应用1.3本章节教学内容本章教学内容如下1.化学动力学1.1反应速率与反应级数1.2简单的基元反应1.3较复杂的反应1.4速率常数k与温度的关系1.5非基元反应的动力学模型1.6水处理中有关的动力学问题1.4本章节教学方法1.情景导入从1929年发现震惊世界的第一个比较完整的"北京人"头盖骨图片入手，引入动力学、半衰期概念。2.双案例关联动力学在基础研究方面的应用（案例一）动力学在工程设计方面的应用（案例二）1.4本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，要求并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核。1
1 研究生精品课程建设教案 第一章 化学动力学 （一）教学设计 1.1本章节内容归纳 本章节主要内容包括以下几个方面 ①有关化学动力学及反应机制的基本概念 ②氧化和结晶动力学实例 1.2本章节重点 本章节重点：掌握基元反应、反应动力学、反应级数 本章节难点：半衰期的理解与应用、反应机制理解与应用 1.3 本章节教学内容 本章教学内容如下 1. 化学动力学 1.1 反应速率与反应级数 1.2 简单的基元反应 1.3 较复杂的反应 1.4 速率常数 k 与温度的关系 1.5 非基元反应的动力学模型 1.6 水处理中有关的动力学问题 1.4 本章节教学方法 1. 情景导入 从 1929 年发现震惊世界的第一个比较完整的"北京人"头盖骨图片入手，引入 动力学、半衰期概念。 2. 双案例关联 动力学在基础研究方面的应用（案例一） 动力学在工程设计方面的应用（案例二） 1.4 本章节教学互动与考核 在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行 教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课 程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何 应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，要求并 将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点 掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部 分，结合最后的理论课闭卷考试完成对课程教学的考核
（二）教学内容1.化学动力学概念化学动力学概念、与热力学的关联和应用2.化学动力学具体内容（1）比较化学反应的快慢及相关因素的影响；（2）揭示化学反应路径，即反应物按何种途径转化为最终产物：（3）分析物质结构与反应性能之间的相互关系。s1-1反应速率与反应级数1.反应速率反应速率表示为1 (dnA一(1-1)v(dt式中的nA可以和V组合成A的浓度，因此得d[A] _ dc^(1-2)rA =dtdt式中[A]及cA均代表A的浓度，rA的单位为mol-m.s"。当式中A代表反应物时，由于其浓度是随时间降低的，反应速率rA应为负值，反之，当A代表产物时，r则为正值，如图1-1所示。A为反应物A为产物CA图1-1反应物及产物的历时曲线2.化学剂量方程(1-3)xA+yB*uP+vQ3.化学计量方程与其中所包含的全部物种的反应速率间的数量2
2 （二）教学内容 1. 化学动力学概念 化学动力学概念、与热力学的关联和应用 2. 化学动力学具体内容 （1）比较化学反应的快慢及相关因素的影响； （2）揭示化学反应路径，即反应物按何种途径转化为最终产物； （3）分析物质结构与反应性能之间的相互关系。 §1-1 反应速率与反应级数 1.反应速率 反应速率表示为 = dt dn V r 1 A （1-1） 式中的 nA 可以和 V 组合成 A 的浓度，因此得 dt dc dt d A r A A = = （1-2） 式中[A]及 cA 均代表 A 的浓度，rA 的单位为 molm-3 s -1。当式中 A 代表反应物时，由于 其浓度是随时间降低的，反应速率 rA 应为负值，反之，当 A 代表产物时，rA 则为正值，如 图 1-1 所示。 图 1-1 反应物及产物的历时曲线 2.化学剂量方程 xA+yB→uP+vQ （1-3） 3.化学计量方程与其中所包含的全部物种的反应速率间的数量
关系4.反应级数如果通过试验数据的数学处理，得出产物P的反应速率可以表示为alpl_ dcp = kc,cs(1-4)rp =dtdt那末，产物P的反应称为：反应物A的a级反应；反应物B的b级反应；总称为（a+b）级反应。K称为反应的速率常数（rateconstant），其单位为（浓度）1-a+h’/时间。最后还要指出下列各点：（1）无论是反应物的速率方程，或者是产物的速率方程，都是以反应物的浓度来表示的：（2）速率方程中c,及c,的指数a、b和化学计量方程中A及B的系数x、y一般并不相等，它们也不一定是整数；（3）当速率方程不能表示为式（1-8）形式时，则不存在反应级数的提法。5.基元反应构成化学计量方程的反应序列中的反应称为基元反应（elementaryreaction）。绝大多数的基元反应，其反应级数与化学计量系数完全相等。构成一个化学计量方程的反应序列称为原来反应的机理。S1-2简单的基元反应1.单一组分的零级反应由零级反应的定义得： dcs = kca = kdt上式可以按时间从0到t进行积分得fe-de, =I'kdt最后得c,的表达式为C,=CA.-kt(1-5)零级反应速率和反应物的浓度无关。生物化学反应中，底物（受生化催化剂酶作用的化合物称为底物）浓度很高时的酶促反应都属于零级反应。3
3 关系 4.反应级数 如果通过试验数据的数学处理，得出产物 P 的反应速率可以表示为 b B a A P P kc c dt dc dt d P r = = = （1-4） 那末，产物 P 的反应称为：反应物 A 的 a 级反应；反应物 B 的 b 级反应；总称为（a+b） 级反应。K 称为反应的速率常数（rate constant），其单位为（浓度）1-（a+h） /时间。 最后还要指出下列各点： （1）无论是反应物的速率方程，或者是产物的速率方程，都是以反应物的浓度来表示的； （2）速率方程中 A c 及 B c 的指数 a、b 和化学计量方程中 A 及 B 的系数 x、y 一般并不相 等，它们也不一定是整数； （3）当速率方程不能表示为式（1-8）形式时，则不存在反应级数的提法。 5.基元反应 构成化学计量方程的反应序列中的反应称为基元反应（elementary reaction）。 绝大多数的基元反应，其反应级数与化学计量系数完全相等。 构成一个化学计量方程的反应序列称为原来反应的机理。 §1-2 简单的基元反应 1.单一组分的零级反应 由零级反应的定义得： kc k dt dc A A − = = 0 上式可以按时间从 0 到 t 进行积分得 dc kdt t A c c A A − = 0 0 最后得 A c 的表达式为 c c kt A = A −0 （1-5） 零级反应速率和反应物的浓度无关。生物化学反应中，底物（受生化催化剂酶作用的 化合物称为底物）浓度很高时的酶促反应都属于零级反应
2.单一组分的一级反应dcA=kcAdt由上式可以得出ca=cexp(-kt)(1-6)一级反应的速率，有时也用半衰期（halflife）这一概念来描述。半衰期指物质由其初1始浓度cA分解成ca所需要的时间，以1u/z2表示。由式（1-21）得2=e-h =12CAln 20.693(1-7)11/2=Kk放射性元素的衰变属于一级反应，因此常用半衰期来表示它们的衰变速率。3.两种反应物的二级反应如果已知下列两种反应物的反应A+B->P是一个二级反应，A及B的初始浓度分别为CA及CB，则产物P的浓度Cp的表达式可以分别按CA±CB.及CA=CB两种情形推导如下。（1）当CA±CB时，由二级反应的定义得= k Ca = k(ca -xJca -x)dt（2）当初始浓度CA=CB时，反应速率式简化成d=kcAcg= k(caxdt以一CA代入式（1-15）可得出当两种反应物初始浓度相等时，其二级反应的半衰期为11，上式说明这种二级反应的半衰期与反应物的初始浓度成反比。(1/2kcAo4.两种反应物的伪一级反应当上述二级反应A+B>P中的某一级反应物，例如B的浓度很高，以致可以视4
4 2.单一组分的一级反应 A − = kc dt dcA 由上式可以得出 c c ( kt) A = A exp − 0 （1-6） 一级反应的速率，有时也用半衰期（half life）这一概念来描述。半衰期指物质由其初 始浓度 A0 c 分解成 0 2 1 A c 所需要的时间，以 1/ 2 t 表示。由式（1-21）得 2 1 1 / 2 0 = = −kt A A e c c k k t ln 2 0.693 1/ 2 = = （1-7） 放射性元素的衰变属于一级反应，因此常用半衰期来表示它们的衰变速率。 3.两种反应物的二级反应 如果已知下列两种反应物的反应 A B P + ⎯k→ 是一个二级反应，A 及 B 的初始浓度分别为 A0 c 及 B0 c ，则产物 P 的浓度 P c 的表达式可 以分别按 A0 B0 c c 及 A0 B0 c = c 两种情形推导如下。 （1）当 A0 B0 c c 时，由二级反应的定义得 k c c k(c x)(c x) dt dx = A B = A − B − 0 （2）当初始浓度 A0 B0 c = c 时，反应速率式简化成 ( ) 2 0 kc c k c x dt dx = A B = A − 以 2 1 A0 c 代入式（1-15）可得出当两种反应物初始浓度相等时，其二级反应的半衰期为 0 1 1/ 2 A kc t = ，上式说明这种二级反应的半衰期与反应物的初始浓度成反比。 4.两种反应物的伪一级反应 当上述二级反应 A B P + ⎯k→ 中的某一级反应物，例如 B 的浓度很高，以致可以视
为在反应过程中浓度不变时，因此可得dc= c.Cg= k'ca(1-8)dt上式中c可视为常数，所以kc.用另一常数k'代替，因而变成A的一级反应的速率方程。这样所得到的一级反应，称为伪一级反应；k'称为伪速率常数（pseudo-rateconstant）。5.三级和更高级的反应三级的基元反应包括下列三种情况：（1）当参加反应的是三种不同的物质时，反应式可写成A+B+C→P这样就得到速率方程为dcA=kcACnCcdt（2）当反应物只有两种时，反应式可写成2A+B-→>P相应的速率方程为dcA=kciCBdt（3）当反应物只有一种时，反应式可写成3A一>P，相应的速率方程为dcA=kcAdt三级以上的反应研究很少。6.求反应的级数推理得出基元反应的反应物A的反应级数n与半衰期t1/2的关系如下：11120c式中，CA为A在t=0时的浓度。(e.J-1利用上式可得出求反应级数的图解法，如图1-2所示。5
5 为在反应过程中浓度不变时，因此可得 A B A A kc c k c dt dc − = = （1-8） 上式中 B c 可视为常数，所以 B kc 用另一常数 k 代替，因而变成 A 的一级反应的速率方 程。这样所得到的一级反应，称为伪一级反应； k 称为伪速率常数（pseudo-rate constant）。 5.三级和更高级的反应 三级的基元反应包括下列三种情况： （1）当参加反应的是三种不同的物质时，反应式可写成 A B C P + + ⎯k→ 这样就得到速率方程为 A B C − = kc c c dt dcA （2）当反应物只有两种时，反应式可写成 A B P 2 + ⎯k→ 相应的速率方程为 A B kc c A 2 dt dc − = （3）当反应物只有一种时，反应式可写成 A P 3 ⎯k→ ，相应的速率方程为 A 3 dt dc A − = kc 三级以上的反应研究很少。 6.求反应的级数 推理得出基元反应的反应物 A 的反应级数 n 与半衰期 1/ 2 t 的关系如下： ( ) 1/ 2 1 0 1 n− A c t 式中， A0 c 为 A 在 t=0 时的浓度。 利用上式可得出求反应级数的图解法，如图 1-2 所示