第八章 化学反应速度和化学平衡Word文件下载.docx

1、 1浓度对化学反应速度的影响我们在初中学习氧的性质时，曾看到硫在空气中缓慢燃烧并产生微弱的淡蓝色火焰，在纯氧中迅速燃烧并发出明亮的蓝紫色火焰。这说明硫在纯氧中跟氧化合的反应比在空气中的反应进行得更快、更剧烈。这是因为纯氧中氧分子的浓度比空气中氧分子的浓度大的缘故。从下面的实验可以看出，在溶液中进行的反应也是这样的情况。实验8-1取两个试管，在第一个试管中加入0.1摩升Na2S2O3（硫代硫酸钠）溶液10毫升；在第二个试管中加入0.1摩升Na2S2O3溶液和蒸馏水各5毫升。另取两个试管，每个试管加入0.1摩升H2SO4溶液各10毫升。然后同时分别倒入上面两个盛有Na2S2O3溶液的试管中，并注意

2、观察两个盛有混和溶液试管里出现浑浊现象的先后。实验结果表明：首先出现浑浊现象的是第一个试管，接着才是第二个试管。通过许多实验证明，当其它条件不变时，增加反应物的浓度，可以增大反应的速度。 2压强对化学反应速度的影响对于气体来说，当温度一定时，一定量气体的体积与其所受的压强成反比。这就是说，如果气体的压强增大到原来的两倍，气体的体积就缩小到原来的一半，单位体积内的分子数就增多到原来的两倍，如图8-1所示。所以，增大压强，就是增加单位体积里反应物的摩尔数，即是增大反应物的浓度，因而可以增大反应的速度。相反，减小压强，气体的体积就扩大，浓度减小，因而反应速度减小。如果参加反应的物质是固体、液体或溶液

3、时，由于改变压强对它们的体积改变很小，因而对它们的浓度改变很小，可以认为压强与它们的反应速度无关。 3温度对化学反应速度的影响 活化能我们知道，许多化学反应都是在加热的情况下发生的。例如，在常温下煤在空气里甚至在纯氧里不能燃烧，只有加热到一定温度时才能燃烧，并且越燃越旺。物质在溶液里进行的反应也有类似的情况。实验8-2取两个试管，在每个试管中各加入0.1摩升Na2S2O3溶液10毫升。另取两个试管，在每个试管里各加入0.1摩升H2SO4溶液10毫升。取一个盛有Na2S2O3溶液的试管和另一个盛有H2SO4溶液的试管组成一组，即4个试管组成两组。然后将一组试管插入冷水里，另一组试管插入热水里。过

4、一会儿，同时分别将两组试管里的溶液混和，并仔细观察热水和冷水中盛混和溶液的试管里出现浑浊现象的情况。插在热水中盛混和溶液的试管里首先出现浑浊的现象，接着才是插在冷水中盛混和溶液的试管里出现浑浊。这是什么原因呢？因为Na2S2O3溶液跟稀H2SO4作用时发生如下的反应： Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+SO2+SH2O反应的快慢可借反应生成硫（不溶于水，使溶液浑浊）所需时间的长短来量度。插入热水中的试管由于温度高，反应快，所以先出现浑浊现象；插入冷水中的试管由于温度低，反应慢，后出现浑浊现象。由此可见，温度升高，化学反应一般要加快。经过多次实验测得，温度每升高10，反应速度通常增大到原

5、来的24倍。为什么改变反应物的浓度或改变反应的温度时，就会改变化学反应的速度呢？发生化学反应的先决条件是反应物的分子（或离子）必须互相接触，互相碰撞，否则，就不可能发生化学反应。以气体的反应为例，任何气体中分子间的碰撞数都是非常巨大的。在压强为1.013105帕和500时，浓度为0.001摩升的HI气体，分子碰撞次数每升每秒达3.51028之多，如果每次碰撞都能发生化学反应，HI分解的反应瞬间就可完成，但事实并不是这样的。又如，在常温常压下，氢气和氧气的混和物可以长时间放置而不发生明显的反应。可见反应物的分子的每次碰撞不一定都能发生化学反应，能够发生化学反应的碰撞是很少的，我们把这种能够发生化

6、学反应的碰撞叫做有效碰撞。为什么分子碰撞时有的能发生化学反应，有的不能呢？因为化学反应的过程，就是反应物分子中的原子重新组合而成生成物分子的过程，也是反应物分子中化学键的断裂，生成物分子中化学键的形成的过程。在这过程中，反应物分子必须具有足够的能量，碰撞时才能使化学键削弱或断裂，从而发生化学反应。可见发生有效碰撞的分子必须具有较高的能量。在一定温度下，气体分子具有一定的平均能量，但并不是所有的分子都具有相等的能量，实际上有的分子的能量比平均能量高，有的比平均能量低。对某一反应来说，必有一部分具有比平均能量高的分子，它们才能发生有效碰撞。这种分子就是活化分子。活化分子具有的最低能量与分子平均能量

7、的差，叫做活化能。如图8-2所示：具有平均能量的反应物分子，要吸收E1的能量，才能变成活化分子，这个能量E1就是该反应的活化能。活化分子变成生成物分子的过程中，要放出E2的能量。显然图中E2E1，在反应物变成生成物的整个过程中要放出E2E1的能量，这个能量就是反应热。图8-2所示的反应是放热反应。无论放热反应或吸热反应，都需要有一个活化的过程。前面提到的在常温下煤在空气里必须加热才能燃烧，就是因为加热能促使煤和氧气中的分子活化，发生氧化反应，反应发生后，就可由放出的反应热维持反应继续进行，而不需要外部再供给能量。不同的化学反应所需的活化能不同。如果反应的活化能较低，则在一定温度下，活化分子百分

8、数就较大，反应就比较容易进行。在其它条件不变时，对某一反应来说，反应物分子中活化分子的百分数是一定的，因此，单位体积内活化分子的数目与单位体积内反应物分子的总数成正比，也就是和反应物的浓度成正比。当反应物浓度增大时，单位体积内分子增多，活化分子数也相应增大。譬如原来1单位体积里有100个反应物的分子，其中只有5个活化分子，如果每1单位体积内的反应物分子增加到200个，其中必定有10个活化分子，那么单位时间内的有效碰撞次数也相应增多，反应就快。在浓度一定时，升高温度，反应物的分子的能量增加，必然有一部分原来能量较低的分子变成了活化分子，从而增加了反应物分子中活化分子的百分数，有效碰撞次数增多了，

9、因而加大了反应的速度。当然，由于温度升高，会使分子的运动加快，这样单位时间内反应物分子间的碰撞次数增加，反应也会相应地加快，但这不是反应加快的主要原因。 4催化剂对反应速度的影响关于催化剂和催化作用的初步知识，在氧气的实验室制法、硫酸的工业制法和氨的催化氧化等教材里都学习过了。现在我们要学习催化剂与化学反应速度的关系。实验8-3在两个试管里分别加入3的过氧化氢（H2O2）溶液3毫升和合成洗涤剂（产生泡沫以示有气体生成）溶液3或4滴。在其中的一个试管里加入少量MnO2，观察两个试管里的反应现象有什么不同。在放有少量MnO2的试管中，很快有气泡生成，而没有放MnO2的试管里气泡产生得慢而且少。这是

10、由于MnO2能加快H2O2的分解，使氧气产生得快而且多，反应后MnO2的组成和质量都没有变化。可见MnO2在H2O2的分解反应中起了催化作用。催化剂能够增大反应速度的原因，是它能够降低反应的活化能，从而使更多的反应物分子成为活化分子，大大增加单位体积内反应物分子中活化分子的百分数，成千成万倍地增大化学反应的速度。从图8-3可以清楚地看出催化剂与反应速度的关系。图中实线曲线表示不用催化剂时，反应物变成生成物的过程，E1是不用催化剂时的反应的活化能；虚线曲线表示用催化剂时，反应物变成生成物的过程，E2是有催化剂存在时该反应的活化能。显然，使用催化剂能使反应的活化能降低，因而能大大增大反应的速度。这

11、好象人们要翻越一座陡峭的高山，很费劲、很慢，能翻越的人就少些；如果在山下开凿一条隧道，穿过隧道就容易、就快，能穿过的人就多一样。为什么使用适当的催化剂能够降低反应的活化能呢？现以接触法制造硫酸使用的接触剂V2O5和合成氨工艺中使用的铁触媒为例，来说明它们是怎样降低活化能的。制造硫酸的过程中，关键是怎样把SO2更快地转变为SO3。如果使用V2O5做催化剂时，有的化学工作者认为反应是按以下两步进行的：SO2+V2O5SO3+V2O4V2O4+SO2+O2SO3+V2O5可见使用V2O5做催化剂，能使一步进行的反应变成为分两步进行的反应。实验测得这样将会使反应活化能降低到原来的二分之一左右，从而使反

12、应速度大大加快。由此可见，催化剂并不是不参与化学反应，只是反应前与反应后的组成和质量未改变罢了。在氢跟氮合成氨的过程中，如果使用铁触媒时，铁触媒能吸附氢分子和氮分子，同时削弱氮分子和氢分子里的化学键，化学键被削弱了的这两种分子互相碰撞而合成氨分子。由于使用铁触媒，合成氨反应的活化能降低到原来的四分之一左右。同时由于吸附，在铁触媒表面上反应物浓度增大了，也能增大反应的速度。这样，使用铁触媒的反应速度比无催化剂时成万倍地增大。催化剂在现代化学和化工生产中占有极为重要的地位。据初步统计约有85的化学反应需要使用催化剂。尤其在当前大型化工生产、石油化学工业生产中，很多反应还必须靠使用性能优良的催化剂来

13、实现。但是应当注意，因为有一些物质，即使是很少量的，当混入催化剂中时，就会急剧降低甚至破坏催化剂的催化能力，这种作用叫做催化剂的中毒。为了防止催化剂的中毒，需要对原料进行一系列的净化过程。影响化学反应速度的条件很多，除了温度，浓度、压强（有气体参加的反应）、催化剂以外，还有光、超声波、激光、放射线、电磁波、反应物颗粒的大小、扩散速度、溶剂等等，对某些化学反应来说，也是影响反应速度的一些重要条件。例如，煤粉的燃烧就比煤块快得多，溴化银见光很快分解等等。讨论举出你学过或生活中接触过的实例，说明影响反应速度的条件。以上研究了影响反应速度的一些重要条件，但在化学研究和化工生产中，只考虑反应速度是不够的

14、。例如，在合成氨工业中除了要求氮和氢尽可能快地转变为氨外，还要使氮和氢尽可能多地转变为氨。这就涉及到化学反应的另一个问题化学平衡。下节就要研究关于化学平衡的问题。习题 1填空题： （1）化学反应速度通常用_的减少或_的增大来表示，其单位常用_或_等。 （2）影响化学反应速度的外界条件主要是_、_、_、_，一般说来，当其它条件不变时，_、_或_都可以使化学反应速度增大，而_只对气体反应有影响。 （3）一个5升的容器里，盛有8摩某气态反应物，5分钟后，测得这种气态反应物还剩余6.8摩，这种反应物的化学反应速度为_摩升 （4）根据化学反应CO+H2OCO2+H2，填写下表中的空白。 2选择题： （1

15、）在合成氨反应N2+3H22NH3中，在下列情况下，不能使化学反应速度增大的是 A加入氮气 B加入适量催化剂 C减小压强，扩大容器体积 D适当升高温度 （2）下列各组实验中，溶液最先变浑浊的是 A0.1摩升Na2S2O3和H2SO4各5毫升，加水5毫升，反应温度10 B0.1摩升Na2S2O3和H2SO4各5毫升，加水10毫升，反应温度10 C0.1摩升Na2S2O3和H2SO4各5毫升，加水10毫升，反应温度30 D0.2摩升Na2S2O3和H2SO4各5毫升，加水10毫升，反应温度30 3为什么反应的活化能低，反应速度就较大？ 4在空气中燃烧木炭是一个放热反应，为什么木炭燃烧时必须先引火点

16、燃？点燃后停止加热，能够继续燃烧吗？为什么？ 5在一块大理石（主要成分是CaCO3）上，先后滴加1摩升HCl和0.1摩升HCl，哪个反应快？先后滴加同浓度的热盐酸和冷盐酸，哪个反应快？用大理石块和大理石粉跟同浓度的盐酸起反应，哪个反应快？ 6在进行铁跟盐酸的反应时，用什么方法可以使反应加快？设计一个实验方法来粗略地衡量反应的速度。 7为什么升高温度和增加反应物的浓度，都能增大反应的速度？ 8为什么使用适当的催化剂能使一些反应速度增大？ 9举例说明催化剂对化工生产的重要意义。 10为什么增加反应物分子中活化分子的百分数能够增大反应的速度？用哪些方法可以增加反应物分子中活化分子的百分数？第二节 化

17、学平衡现在我们来学习化学平衡，化学平衡主要是研究可逆反应的规律，如反应进行的程度以及各种条件对反应进行情况的影响等等。一、化学平衡是动态平衡固态溶质溶解在液态溶剂里时，一方面，溶质的微粒不断地离开溶质表面，扩散到溶剂里去；另一方面，溶解在溶剂里的溶质微粒不断地在未溶解的溶质表面聚集成为晶体：当溶质开始溶解的时候，在单位时间里，从固体溶质表面扩散到溶剂里的溶质微粒的数目，比回到固体溶质表面的溶质微粒的数目多，即溶解的速度大于结晶的速度。随着溶液里溶质微粒的逐渐增加，由溶液里回到固体溶质表面的微粒也随之增加，直到在单位时间里，扩散到溶液里去的溶质微粒数目和回到固体溶质表面的溶质微粒数目相等，即溶解

18、的速度等于结晶的速度，溶液浓度不再变化，成为饱和溶液，我们说达到溶解平衡了。这时，溶解的过程并没有停止，只是溶解和结晶的速度相等罢了。因此，溶解平衡是一种动态平衡。那么，在化学反应中，我们将要研究的可逆反应的情形又是怎样的呢？我们可以通过下面的反应来进行研究。在500、压强为1.013105帕时，把2体积的二氧化硫和1体积的氧气的混和物，通入一个装有催化剂的密闭容器里。反应开始后，SO2和O2的浓度逐渐减小，SO3的浓度逐渐增大，最后能得到含91（体积组成）三氧化硫的混和气体。这时候，容器里反应物SO2、O2和生成物SO3在混和物中的浓度就不再发生变化。为什么反应进行到一定程度，生成物的含量就

19、不继续增大了呢？也就是说，反应为什么不能进行到底呢？我们可以用可逆反应中正反应和逆反应的反应速度的变化来说明。当反应开始的时候，SO2和O2的浓度最大，因而它们化合生成SO3的正反应速度最大；而SO3的浓度为零，因而它分解生成SO2和O2的逆反应的速度也是零。以后，随着反应的进行，反应物SO2和O2的浓度逐渐减小，正反应的速度就逐渐减小；生成物SO3的浓度逐渐增大，逆反应的速度就逐渐增大。如果外界条件不发生变化，化学反应进行到一定程度的时候，正反应和逆反应的速度相等，反应物和生成物的浓度不再发生变化。这时反应物和生成物的混和物（简称反应混和物）就处于化学平衡状态。如果我们不是从SO2和O2的混

20、和物开始反应，而是使纯净的SO3，在同样的温度（500）、压强（1.013105帕）和催化剂存在的条件下起反应，SO3分解为SO2和O2，当达到平衡状态时，混和气体里仍然含91（体积）的SO3。当反应达到平衡的时候，正反应和逆反应都仍在继续进行，只是由于在同一瞬间正反应SO2和O2化合生成的SO3分子数和逆反应所分解的SO3分子数相等，亦即正、逆反应的速度相等，所以反应混和物中各成分的百分含量不变。因此，化学平衡是一种动态平衡。化学平衡状态就是指在一定条件下的可逆反应里，正反应和逆反应的速度相等，反应混和物中各组成成分的百分含量保持不变的状态。二、化学平衡常数下面我们以一氧化碳和水蒸气在高温时

21、进行反应生成二氧化碳和氢气为例，来研究化学平衡的性质。在密闭容器里这个反应不能进行到底，而是达到了化学平衡状态。如果把0.01摩的CO和0.01摩的H2O（气）放在1升的密闭容器里，加热到800，实验测得当生成物CO2和H2各为0.005摩时，反应即达到了平衡状态。达到了平衡的反应混和物（简称平衡混和物）里还有0.005摩的CO和0.005摩的H2O（气）。这可以表示如下：反应开始时，各物质的摩尔数 0.01 0.01 0 0达到平衡时，各物质的摩尔数 0.005 0.005 0.005 0.005由于密闭容器的容积是1升，因此各物质的摩尔数在数值上跟它们的摩尔浓度（以摩升为单位）相同。如果我

22、们用符号 表示某物质的浓度，那么上面的例子也可以写成： CO H2O CO2 H2反应开始时，各物质的浓度（摩升） 0.01 0.01 0 0达到平衡时，各物质的浓度（摩升） 0.005 0.005 0.005 0.005为了进一步了解可逆反应达到化学平衡状态时的特点，对于上述反应，可以进行以下的实验。设在四个1升的密闭容器里，分别在每个容器里通入不同摩尔数的CO、H2O（气）、CO2和H2，如表8-1中起始浓度一栏所表示的那样。把四个密闭容器加热到800，经过足够的时间以后，如果这四个容器里的四种物质的浓度并不再随时间的改变而改变，那么，这四个容器里的反应混和物就都达到了平衡状态。把实验测得

23、的平衡浓度的数据列在表8-1的第二栏里。为了研究在平衡混和物中各物质浓度之间的关系，我们用平衡混和物中各生成物的浓度乘积作为分子，把各反应物的浓度乘积作为分母，求其比值。并把求得的数值列入表8-1的第三栏里。从下表所列出的实验数据，可以得出如下的结论：在一定温度下，可逆反应无论从正反应开始，或是从逆反应开始，又无论反应起始时反应物浓度的大小，最后都能达到平衡。这时生成物的浓度乘积除以反应物的浓度乘积，便得到一个比值，而这个比值是个常数，这个常数叫做该反应的化学平衡常数（简称平衡常数）。用符号K表示。例如，在800时，为了更好地认识化学平衡状态的性质，下面我们还可以再研究一个可逆反应的例子。H2

24、+I2（气） 2HI在三个1升的密闭容器里，分别在其中通入不同摩尔数的H2、I2或HI，如表8-2中起始浓度一栏所示。把三个密闭容器都加热到445，经过足够的时间，使它们都达到平衡状态。把实验测得的平衡状态时各物质的浓度数据列在表8-2的第二栏里。然后，我们用平衡混和物中各生成物浓度与反应物浓度计算其不同的比值，并把求得的数值列入表8-2的第三栏和第四栏里。从下表所列出的数据可以看出，如果用平衡时反应物的浓度乘积去除生成物的浓度，如下式：其比值就不是一个常数。但是如用反应物浓度的乘积H2I2去除生成物浓度的平方HI2，即我们发现在表里所列三种不同的情况下，仍然可以得到一个比例常数，即K=50。

25、这个常数就是这个反应在445时的化学平衡常数。对于一般的可逆反应mA+nBpC+qD其中A、B代表反应物，C、D代表生成物，m、n、p、q分别表示化学方程式中各反应物和生成物的分子式前的系数。当在一定温度下达到平衡时可以写出： K就叫做这个反应的平衡常数。在平衡常数的表达式中，通常把生成物的浓度写在分式分子的位置，反应物的浓度写在分母的位置；式中每种物质浓度的方次数就是化学方程式中该物质分子式前的系数。从平衡常数K值的大小，可以推断反应进行的程度。K值越大，表示化学反应达到平衡时生成物浓度对反应物浓度的比值越大，也就是反应进行得更完全些，反应物的转化率也越大。反之，K值越小，表示反应进行的程度

26、越小，反应物的转化率也越小。通过前面学习过的实验事实，我们知道在一定温度时，一个可逆反应的平衡常数并不随反应物或生成物浓度的改变而改变。但当温度改变时，情形就不同了，平衡常数K值随温度的改变而改变。例如，氢气跟碘化合生成碘化氢的反应：在不同温度时，其平衡常数不同，数值分别是：350，K=66.9；425，K=54.4；490，K=45.9。因此，在使用平衡常数时，必须注意是在哪一温度下进行的可逆反应。例题1把0.01摩的CO2和0.01摩的H2放在1升的密闭容器里，加热到1200，在生成0.006摩的CO和0.006摩的H2O（气）的时候，反应达到平衡。试求这时该反应的化学平衡常数。解 CO2

27、 + H2 CO+H2O（气）因在1升的容器里，所以，平衡时各参加反应物质的浓度分别是： CO=0.006摩升，H2O=0.006摩升， CO2=0.004摩升，H2=0.004摩升，答：在1200时，这个反应的平衡常数是2.25。例题2设在某温度时，在容积为1升的密闭容器里，把N2和H2两种气体混和，反应后生成NH3。从实验测得，当达到平衡时，N2和H2的浓度各为2摩升，生成的NH3的浓度是3摩升，求这个反应在某温度的平衡常数和N2、H2两气体在反应开始时的浓度。解N2+3H22NH3在某温度时，平衡混和物中N2、H2和NH3的浓度分别是：N2=2摩升，H2=2摩升，NH3=3摩升。由化学方程式可以知道，生成3摩NH3，必须消耗1.5摩的N2和4.5摩的H2，N2和H2在反应开始时的浓度应是消耗量和在平衡时剩余量之和。所以， N2在反应开始时的浓度=1.5+2=3.5摩升 H2在反应开始时的浓度=4.5+2=6.5摩升这个反应在某温度的平衡常数是0.563，N2在反应开始时的浓度为3.5摩升，H2在反应开始时的浓度为6.5摩升。例题3在密闭容器中，给一氧化碳和水蒸气混和物加热时，达到下列平衡： CO2+H2在800时平衡常数等于1，若用2摩的CO和1