在實際應用一個化學反應時,人們除了要考慮物質變化、能量轉化外,還要關注化學反應進行的快慢問題和進行的程度問題,以提高生產效率。如,工業合成氨的反應:
人們不僅要生產出氨,還希望氮氣和氫氣更快、更多地轉化成氨氣,這樣就可提高氮氣和氫氣的轉化率和氨的產率。因此,工業生產上使用了催化劑、高溫、高壓的反應條件。
一、化學反應速率及其表示方法
我們已經學習了許多化學反應,有些化學反應進行的很快,有些化學反應進行的很慢。
如火藥的爆炸瞬間就可完成;酸堿中和反應、燃燒反應就很快;鐵生銹、食物的變質就比較緩慢;而石灰溶洞的形成則需要幾百萬年,甚至上千萬年才能形成。
不同的化學反應進行的快慢差別很大,快慢只是相對而言。這種定性的描述并不能準確地表現化學反應的快慢程度。在科學研究和工業生產上,人們需要對化學反應的快慢程度作出準確的定量的描述。
1、化學反應速率
物理學中描述物體運動的快慢,是用單位時間內物體運動的距離來表示的,即物體運動的平均速率:
可借鑒上面的表示方法定量地描述化學反應的快慢,一般用單位時間內反應物濃度的減少,或生成物濃度的增加來表示,即化學反應速率。
比如合成氨的反應,在2min內,N2的物質的量濃度由0.1mol/L降低到0.06mol/L,則2min內用N2表示的化學反應速率為:
或者,在20s的時間內,NH3的物質的量濃度由0.02mol/L增大到0.05mol/L,則用NH3表示的化學反應速率為:
小結:
(1)化學反應速率用單位時間內反應物濃度的減少或生成物濃度的增加表示:
(2)常用的單位:mol/(L·min)或、mol/(L·s)或
(3)由于是用物質的量濃度的變化表示,這種表示方法只適用于用溶液或氣體表示化學反應速率。也可以用單位時間內某物質的物質的量的變化、質量的變化、氣體的體積變化、甚至壓強的變化等來表示化學反應速率。
比如合成氨的反應。2min內N2的質量減少30g,則:
或2min內,H2的物質的量減少1mol,則:
或NH3的體積在10s內增加2L,則:
一般情況下,還是用物質的量濃度的變化表示化學反應速率。
(4)這里計算的速率是一段時間內的平均反應速率,并不是瞬時速率。
例題:在一個密閉容器中,充入1.0mol/LN2、3.0mol/LH2發生反應,
2s末N2的物質的量濃度為0.6mol/L,2 s內,N2、H2、NH3的物質的量濃度轉化多少?2 s內用N2、H2、NH3表示的化學反應速率v(N2)、v(H2)、v(NH3)分別為多少?
可利用三等式的關系計算,對反應物或生成物來說,起始濃度與2s末的濃度差就是轉化濃度,而物質的轉化濃度之比等于化學方程式的計量系數之比。(計算時要么都用物質的量濃度,要么都用物質的量)
則2 s內,用三種物質表示的化學反應速率分別為:
從上面的計算,思考:
(1)同一反應在相同的時間內,用不同物質表示的化學反應速率數值是否相同?表示的反應快慢是否相同?(2)同一反應在相同的時間內,用不同物質表示的化學反應速率數值有什么關系?
同一反應在相同時間內,用不同物質表示的反應速率,其數值不一定相同,但表示反應的快慢是相同的;同一反應在相同時間內,用不同物質表示化學反應速率時,其速率數值之比等于其化學方程式的計量系數之比。
在比較化學速率的大小時,不能只看數值大小,必須換算成用同種物質表示,才能比較。并且注意單位要一致。
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云水散人
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