均相反應速率及反應動力學.ppt

第3課 反應器設計和優(yōu)化 均相反應速率及反應動力學,安全技術(shù)管理教研室B07-310 何偉平,徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,課程綱要,1. 反應速率的表示 2. 動力學方程式 3. 阿倫尼烏斯方程,反應速率的表示,化學反應速率： 單位時間內(nèi)單位體積反應物系中反應組分的反應量或產(chǎn)物的生成量。,注意：這里是反應速率的嚴格定義，在以后提到的反應速率，往往用物料的濃度變化速率來表示，其成立的前提是反應過程體積恒定。,判斷反應結(jié)果的好壞兩個主要因素： （1）反應速率 （2）反應的選擇性 注意：這里并沒提到轉(zhuǎn)化率。 如果在反應過程中體積是恒定的，也就是恒容過程。則：,正號表示產(chǎn)物的生成速率 負號表示反應物的消失速率,間歇系統(tǒng)的反應速率,間歇系統(tǒng) 反應物料一次加入，經(jīng)過一定時間，一次取出的系統(tǒng)。 特點 （1）反應過程中沒有物料的輸出和輸入； （2）濃度、溫度、壓力等系統(tǒng)參數(shù)在每一瞬時是一致的集中參數(shù)； （3）各個參數(shù)隨時間變化自變量是時間。,對于化學反應：,化學反應速率：,思考： （1）用不同組分表示的反應速率之間存在什么等量關(guān)系？ （2）對于氣相反應，用氣體分壓表示反應速率，則與濃度表示反應速率有什么等量關(guān)系？ （3）是否可以用轉(zhuǎn)化率表示反應速率？,動力學方程式,研究發(fā)現(xiàn)，均相反應的速度取決于物料的濃度和溫度，這種關(guān)系可以用冪函數(shù)的形式表示，就是動力學方程式：,k反應速率表常數(shù)。,注意： （1）濃度項的指數(shù)不一定是整數(shù)； （2）若為基元反應，濃度項的指數(shù)即為計量系數(shù)； （3）若為非基元反應，濃度項的指數(shù)通常不等于計量系數(shù)； （4）各濃度項的指數(shù)總和稱為反應級數(shù)。,阿倫尼烏斯（Arrhenius）方程,請務必注意以下幾點： （1）公式每一個字母的含義； （2）單位，最好要化成國際標準單位； （3）注意指數(shù)和對數(shù)運算（離不開計算器?。?A 指前因子； E 活化能，J/mol； R 氣體常數(shù)，8.314J/(mol.K)； T 溫度，K；,本課總結(jié),（1）化學反應速率方程 (嚴格定義和變形公式) （2）化學反應動力學方程式 （3）阿倫尼烏斯方程,課程作業(yè),作業(yè)：依據(jù)反應速率方程，請你說明通過哪些方式可以提高不可逆的單一反應的反應速率？ 預習：第4課 反應器設計和優(yōu)化 化學反應的影響因素,各組分反應速率之間的關(guān)系,返回,各反應速率絕對值成比例，其比例為化學計量系數(shù)。,分壓表示的反應速率,返回,根據(jù)理想氣體方程PV=nRT，可以得到： P=CRT 所以有rA,P=rA,CRT，即用分壓表示的反應速率是用濃度表示的反應速率的RT倍。 注意：這里的R=8.314J/(mol.K)，T的單位為K。,基元反應,若反應物分子在碰撞中一步直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物分子，則稱該反應為基元反應。 此時，根據(jù)化學反應式的計量系數(shù)可以直接寫出反應速率式中各濃度項的指數(shù)。,返回,非基元反應,若反應物分子在碰撞中要經(jīng)過若干步，即經(jīng)過幾個基元反應才能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物分子，則稱該反應為非基元反應。 此時，應該先寫出各基元反應，然后根據(jù)基元反應，逐個產(chǎn)物寫反應速率方程（包括中間產(chǎn)物），在最終產(chǎn)物的速率方程中，消去中間產(chǎn)物濃度未知量，才能得到反應的速率方程表達式。,返回,非基元反應的速率方程,實際反應機理：,返回,（1）請寫出總反應的速率方程表達式。 （2）為什么嚴格來說總反應不可以表示成rHBr=kCH2CBr2?,自由基是不能穩(wěn)定存在的，即生成后立即就被反應消耗掉。,復雜反應速率方程,返回,復雜反應通常分為： （1）可逆反應； （2）平行反應； （3）連串反應； （4）復合復雜反應。 某復雜反應可分解為如下基元反應，請寫出各組分的反應速率方程。,反應級數(shù),（1）反應級數(shù)的高低并不單獨決定反應速率的快慢，反應級數(shù)只反映反應速率對濃度的敏感程度。級數(shù)越高，濃度對反應速率的影響越大。 （2）反應級數(shù)通常不少于零。 思考：若A+BC，反應速率方程為rc=kCACB2,若A、B原料價格差別不大，可以優(yōu)先提高哪種原料的用量？,返回,（3）除零級反應外，隨著轉(zhuǎn)化率提高，反應物濃度下降，反應速率顯著下降，二級反應的下降幅度較一級反應更甚；特別在反應末期，反應速率極慢。 （4）對于反應級數(shù)高的反應，當要求高轉(zhuǎn)化率時，反應的大部分時間將用于反應的末期。 思考：針對（4）的高級反應，可以通過什么方法在提高轉(zhuǎn)化率的同時，也提高反應速率？,返回,活化能,活化能是化學動力學上一個非常重要的參數(shù)。 反應物分子間相互接觸碰撞是發(fā)生化學反應的前提。只有給反應物分子給予足夠的能量，才能“激發(fā)”其發(fā)生有效的碰撞，成為產(chǎn)物分子。這個能量就是活化能。 思考：活化能高的反應容易進行，還是活化能低的反應容易進行？,返回,吸熱反應和放熱反應示意圖,返回,由變形公式，可知活化能越大，溫度對反應速率的影響就越大，活化能是反應速率對反應溫度敏感程度的一種度量。,返回,問題： （1）活化能大的反應，是否熱效應大？ （2）活化能小的反應，是否反應速率快？ （3）溫度升高，對活化能大的反應有利，還是對活化能小的反應更有利？ （4）如何通過實驗的方法來確定活化能的大??？,返回,質(zhì)量作用定律,實驗發(fā)現(xiàn)許多反應：aAbB gGhH 其反應速率 r 具有以下形式： r = k CA CB 、： 反應的分級數(shù)，稱反應對物質(zhì) A 為 級， 對物質(zhì) B 為 級 n = + + ： 反應的級數(shù)。 k：反應速率常數(shù)，是溫度與壓力的函數(shù)。但一般而言，p對k的影響較小，可視k為溫度T的函數(shù)。,返回,注意,1. 只有基元反應嚴格地符合質(zhì)量作用定律；對于基元反