在实际应用一个化学反应时,人们除了要考虑物质变化、能量转化外,还要关注化学反应进行的快慢问题和进行的程度问题,以提高生产效率。如,工业合成氨的反应:
人们不仅要生产出氨,还希望氮气和氢气更快、更多地转化成氨气,这样就可提高氮气和氢气的转化率和氨的产率。因此,工业生产上使用了催化剂、高温、高压的反应条件。
一、化学反应速率及其表示方法
我们已经学习了许多化学反应,有些化学反应进行的很快,有些化学反应进行的很慢。
如火药的爆炸瞬间就可完成;酸碱中和反应、燃烧反应就很快;铁生锈、食物的变质就比较缓慢;而石灰溶洞的形成则需要几百万年,甚至上千万年才能形成。
不同的化学反应进行的快慢差别很大,快慢只是相对而言。这种定性的描述并不能准确地表现化学反应的快慢程度。在科学研究和工业生产上,人们需要对化学反应的快慢程度作出准确的定量的描述。
1、化学反应速率
物理学中描述物体运动的快慢,是用单位时间内物体运动的距离来表示的,即物体运动的平均速率:
可借鉴上面的表示方法定量地描述化学反应的快慢,一般用单位时间内反应物浓度的减少,或生成物浓度的增加来表示,即化学反应速率。
比如合成氨的反应,在2min内,N2的物质的量浓度由0.1mol/L降低到0.06mol/L,则2min内用N2表示的化学反应速率为:
或者,在20s的时间内,NH3的物质的量浓度由0.02mol/L增大到0.05mol/L,则用NH3表示的化学反应速率为:
小结:
(1)化学反应速率用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加表示:
(2)常用的单位:mol/(L·min)或、mol/(L·s)或
(3)由于是用物质的量浓度的变化表示,这种表示方法只适用于用溶液或气体表示化学反应速率。也可以用单位时间内某物质的物质的量的变化、质量的变化、气体的体积变化、甚至压强的变化等来表示化学反应速率。
比如合成氨的反应。2min内N2的质量减少30g,则:
或2min内,H2的物质的量减少1mol,则:
或NH3的体积在10s内增加2L,则:
一般情况下,还是用物质的量浓度的变化表示化学反应速率。
(4)这里计算的速率是一段时间内的平均反应速率,并不是瞬时速率。
例题:在一个密闭容器中,充入1.0mol/LN2、3.0mol/LH2发生反应,
2s末N2的物质的量浓度为0.6mol/L,2 s内,N2、H2、NH3的物质的量浓度转化多少?2 s内用N2、H2、NH3表示的化学反应速率v(N2)、v(H2)、v(NH3)分别为多少?
可利用三等式的关系计算,对反应物或生成物来说,起始浓度与2s末的浓度差就是转化浓度,而物质的转化浓度之比等于化学方程式的计量系数之比。(计算时要么都用物质的量浓度,要么都用物质的量)
则2 s内,用三种物质表示的化学反应速率分别为:
从上面的计算,思考:
(1)同一反应在相同的时间内,用不同物质表示的化学反应速率数值是否相同?表示的反应快慢是否相同?(2)同一反应在相同的时间内,用不同物质表示的化学反应速率数值有什么关系?
同一反应在相同时间内,用不同物质表示的反应速率,其数值不一定相同,但表示反应的快慢是相同的;同一反应在相同时间内,用不同物质表示化学反应速率时,其速率数值之比等于其化学方程式的计量系数之比。
在比较化学速率的大小时,不能只看数值大小,必须换算成用同种物质表示,才能比较。并且注意单位要一致。
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云水散人
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