化学动力学基础

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(2)H2 + 2I (3)2I + M

2 HI 2 + M

每一步都是一个基元反应,三个基元反应加起来才是H2和I2 的加成反应。 所以,化学方程式只表示了反应过程中,各组分量的关系,而不代表反应历程。而反应历程就是探讨反应由哪几个基元反应组成。

所以,基元反应是构成化学反应的基本单元。 3.基元反应的速率方程——质量作用定律,反应分子数

质量作用定律——基元反应的速率与各反应物浓度的幂乘积成正比,其中各浓度的方次就是反应式中相应组分的分子个数。

如:单分子反应: A

B + C

vA??dcA?kcA dt双分子反应: 2A

vA?? B + C

dcA2?kcA dtA + B

vA?? C

dcA?kcAcB dt多分子反应: aA + bB + cC + ….

vA??dcAabc?kcAcBcC dt P

式中,

k——反应速率常数(或系数)[4],也称反应比速。与反应物的本性、温度、溶剂的性质以及催化剂的存在等因素。当组分浓度为单位浓度时,k即为反应速率。

另外,用不同组分表示反应速率时,k的数值不同:

vA??dcAabc?kAcAcBcC dtdcBabc?kBcAcBcC dtdcCabc?kCcAcBcC dtvB??vC??kA ≠ kB ≠ kC

? v?vAvBvC ??abcv?1dcA1dcB1dcC??

?adt?bdt?cdtkAkBkC ??abc质量作用定律是19世纪50年代,挪威科学家Guldberg(古德贝格)和Waage(瓦格)在总结了大量实验的基础上提出的。

他们提出:化学反应速率和反应物的有效质量成正比,其中,有效质量为浓度。当时,人们对基元反应和总反应之间的关系不是很清晰。实际上,质量作用定律只适用于基元反应。

一般,基元反应按反应物分子数划分,可分为: (1) 单分子反应,例如:分解或异构化反应 (2) 双分子反应,例如:多数基元反应为双分子反应 (3) 三分子反应,例如:原子复合或自由基复合反应 四分子反应目前没有发现。

对于非基元反应,只有分解为几个基元反应后对每个基元反应运用质量作用定律,但是,如果一个物质同时出现在多个基元反应中,则对该物质应用质量作用定律时,其净的消耗速率或生成速率应是这几个基元反应的总和。

4. 化学反应速率方程的一般形式,反应级数 对于化学计量反应: aA + bB + cC + …. 它的经验速率方程可写成 vA??dcA????kcAcBcC dt P

k——速率常数

αβγ——不是反应式前的计量系数,而是由实验确定的。称为反应级数。 其中,α为A的分级数,β为B的分级数,γ为C的分级数。 n = α+β+γ为反应的总级数,简称为反应级数[5]。 2.反应级数与反应分子数:

反应级数为浓度项的方次,所以,反应级数的大小表明了浓度对反应速率的影响程度。反应级数越大,表明浓度对反应的影响越大。

一般,

n = 1—— 一级反应——单分子基元反应 n = 2—— 二级反应——双分子基元反应 由基元反应的质量作用定律可以看出:

基元反应为整数级反应,n = 1、2、3,即与反应分子数一致;但对于复合反应,反应级数却不一定。

(1) 反应级数不一定是整数。n 为实验所得,可为正数、负数、小数,甚至为0。

a. H2 + Cl2 b. 金属氧化:??1/2 2HCl v?kcH2cCl n = 1.5 2dy?ky?1(y为氧化膜的厚度) n = -1;表示膜厚度dt的增加对反应起抑制作用。

c. 表面催化反应:

W

NH3在W上的分解: 2NH3 N2 + 3H2 ,因为反应在催化剂表面上

进行,所以,v仅与表面状态有关。若W的表面全部被已吸附的所饱和,再增加的浓度对v不再影响,此时,为0级反应。

(2) n由实验所得,不一定与反应式前的计量系数相同。 但对于基元反应,n = 反应式前计量系数之和 = 反应分子数 (3) 有些速率方程很复杂,不能明确表明反应级数。 如: H2 + Br2

12Br2 2HBr

AcH2c1dcHBrv??

cHBr2dt1?BcBr2(4) 实验所得的n 有时不一定显示在浓度项里,而隐藏在速率常数中。 C12H22O11(蔗糖) + H2O

C6H12O6(葡萄糖) + C6H12O6(果糖)

H2O为溶剂,其浓度基本不变,则

v?kcH2OcC12H22O11?k?cC12H22O11

称为准一级反应,v与c的关系表现为一级反应的特征。 5. 用气体组分的分压表示的速率方程 对于气体反应,pV?nRT,T、V一定时,

pA?nART?cART,cA?pA(RT)?1 V?dcAdp??A(RT)?1 dtdtdcAdpn?kccA??A(RT)?1 dtdtdpApnnn?kccART?kc(A)nRT?kcpA(RT)1?n?kppA dtRT??式中,kp?kc(RT)1?n

所以,可以用-dpA/dt代替-dcA/dt表示气相反应的速率。当n=1时,kp?kc。 无论是用-dpA/dt还是-dcA/dt表示气相反应的速率,反应级数不变。

§11.2速率方程的积分形式

速率方程是描述v、c、t之间关系的方程。

微分形式的速率方程便于进行理论分析,明显表示出浓度对反应速率的影响,即v随组分浓度的递变情况,但不能直接告诉我们各组分的浓度随反应时间的变化情况,不利于定量计算。因此,还必须对微分式积分,求出积分式。

这一节主要讨论简单级数的速率方程的积分形式。

设xA为时反应物A的转化率,当cA?1cA,0或x A= 0.5时,所需时间用t1/2

2表示,叫反应的半衰期。

1.零级反应

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