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第1章、化學(xué)反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化
化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是反應(yīng)物化學(xué)鍵的斷裂和生成物化學(xué)鍵的形成,化學(xué)反應(yīng)過程中伴隨著能量的釋放或吸收。
一、化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)
1、化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱
(1)反應(yīng)熱的概念:
當(dāng)化學(xué)反應(yīng)在一定的溫度下進(jìn)行時(shí),反應(yīng)所釋放或吸收的熱量稱為該反應(yīng)在此溫度下的熱效應(yīng),簡稱反應(yīng)熱。用符號(hào)Q表示。
(2)反應(yīng)熱與吸熱反應(yīng)、放熱反應(yīng)的關(guān)系。
Q>0時(shí),反應(yīng)為吸熱反應(yīng);Q<0時(shí),反應(yīng)為放熱反應(yīng)。
(3)反應(yīng)熱的測(cè)定
測(cè)定反應(yīng)熱的儀器為量熱計(jì),可測(cè)出反應(yīng)前后溶液溫度的變化,根據(jù)體系的熱容可出反應(yīng)熱,公式如下:
Q=-C(T2-T1)
式中C表示體系的熱容,T1、T2分別表示反應(yīng)前和反應(yīng)后體系的溫度。實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常測(cè)定中和反應(yīng)的反應(yīng)熱。
2、化學(xué)反應(yīng)的焓變
(1)反應(yīng)焓變
物質(zhì)所具有的能量是物質(zhì)固有的性質(zhì),可以用稱為“焓”的物理量來描述,符號(hào)為H,單位為kJ·mol-1。
反應(yīng)產(chǎn)物的總焓與反應(yīng)物的總焓之差稱為反應(yīng)焓變,用ΔH表示。
(2)反應(yīng)焓變ΔH與反應(yīng)熱Q的關(guān)系。
對(duì)于等壓條件下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng),若反應(yīng)中物質(zhì)的能量變化全部轉(zhuǎn)化為熱能,則該反應(yīng)的反應(yīng)熱等于反應(yīng)焓變,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:Qp=ΔH=H(反應(yīng)產(chǎn)物)-H(反應(yīng)物)。
(3)反應(yīng)焓變與吸熱反應(yīng),放熱反應(yīng)的關(guān)系:
ΔH>0,反應(yīng)吸收能量,為吸熱反應(yīng)。
ΔH<0,反應(yīng)釋放能量,為放熱反應(yīng)。
(4)反應(yīng)焓變與熱化學(xué)方程式:
把一個(gè)化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)的變化和反應(yīng)焓變同時(shí)表示出來的化學(xué)方程式稱為熱化學(xué)方程式,如:H2(g)+O2(g)=H2O(l);ΔH(298K)=-285.8kJ·mol-1
書寫熱化學(xué)方程式應(yīng)注意以下幾點(diǎn):
、倩瘜W(xué)式后面要注明物質(zhì)的聚集狀態(tài):固態(tài)(s)、液態(tài)(l)、氣態(tài)(g)、溶液(aq)。
②化學(xué)方程式后面寫上反應(yīng)焓變ΔH,ΔH的單位是J·mol-1或 kJ·mol-1,且ΔH后注明反應(yīng)溫度。
③熱化學(xué)方程式中物質(zhì)的系數(shù)加倍,ΔH的數(shù)值也相應(yīng)加倍。
3、反應(yīng)焓變的
(1)蓋斯定律
對(duì)于一個(gè)化學(xué)反應(yīng),無論是一步完成,還是分幾步完成,其反應(yīng)焓變一樣,這一規(guī)律稱為蓋斯定律。
(2)利用蓋斯定律進(jìn)行反應(yīng)焓變的。
常見題型是給出幾個(gè)熱化學(xué)方程式,合并出題目所求的熱化學(xué)方程式,根據(jù)蓋斯定律可知,該方程式的ΔH為上述各熱化學(xué)方程式的ΔH的代數(shù)和。
(3)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成焓,ΔfHmθ反應(yīng)焓變ΔH。
對(duì)任意反應(yīng):aA+bB=cC+dD
ΔH=[cΔfHmθ(C)+dΔfHmθ(D)]-[aΔfHmθ(A)+bΔfHmθ(B)]
第2章、化學(xué)平衡
一、化學(xué)反應(yīng)的速率
1、化學(xué)反應(yīng)是怎樣進(jìn)行的
(1)基元反應(yīng):能夠一步完成的反應(yīng)稱為基元反應(yīng),大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)都是分幾步完成的。
(2)反應(yīng)歷程:平時(shí)寫的化學(xué)方程式是由幾個(gè)基元反應(yīng)組成的總反應(yīng)。總反應(yīng)中用基元反應(yīng)構(gòu)成的反應(yīng)序列稱為反應(yīng)歷程,又稱反應(yīng)機(jī)理。
(3)不同反應(yīng)的反應(yīng)歷程不同。同一反應(yīng)在不同條件下的反應(yīng)歷程也可能不同,反應(yīng)歷程的差別又造成了反應(yīng)速率的不同。
2、化學(xué)反應(yīng)速率
(1)概念:
單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物的減小量或生成物的增加量可以表示反應(yīng)的快慢,即反應(yīng)的速率,用符號(hào)v表示。
(2)表達(dá)式:v=△c/△t
(3)特點(diǎn)
對(duì)某一具體反應(yīng),用不同物質(zhì)表示化學(xué)反應(yīng)速率時(shí)所得的數(shù)值可能不同,但各物質(zhì)表示的化學(xué)反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式中各物質(zhì)的系數(shù)之比。
3、濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響
(1)反應(yīng)速率常數(shù)(K)
反應(yīng)速率常數(shù)(K)表示單位濃度下的化學(xué)反應(yīng)速率,通常,反應(yīng)速率常數(shù)越大,反應(yīng)進(jìn)行得越快。反應(yīng)速率常數(shù)與濃度無關(guān),受溫度、催化劑、固體表面性質(zhì)等因素的影響。
(2)濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響
增大反應(yīng)物濃度,正反應(yīng)速率增大,減小反應(yīng)物濃度,正反應(yīng)速率減小。
增大生成物濃度,逆反應(yīng)速率增大,減小生成物濃度,逆反應(yīng)速率減小。
(3)壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率的影響
壓強(qiáng)只影響氣體,對(duì)只涉及固體、液體的反應(yīng),壓強(qiáng)的改變對(duì)反應(yīng)速率幾乎無影響。
壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率的影響,實(shí)際上是濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響,因?yàn)閴簭?qiáng)的改變是通過改變?nèi)萜魅莘e引起的。壓縮容器容積,氣體壓強(qiáng)增大,氣體物質(zhì)的濃度都增大,正、逆反應(yīng)速率都增加;增大容器容積,氣體壓強(qiáng)減小;氣體物質(zhì)的濃度都減小,正、逆反應(yīng)速率都減小。
4、溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響
(1)經(jīng)驗(yàn)公式
阿倫尼烏斯總結(jié)出了反應(yīng)速率常數(shù)與溫度之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式:
式中A為比例系數(shù),e為自然對(duì)數(shù)的底,R為摩爾氣體常數(shù)量,Ea為活化能。
由公式知,當(dāng)Ea>0時(shí),升高溫度,反應(yīng)速率常數(shù)增大,化學(xué)反應(yīng)速率也隨之增大。可知,溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響與活化能有關(guān)。
(2)活化能Ea。
活化能Ea是活化分子的平均能量與反應(yīng)物分子平均能量之差。不同反應(yīng)的活化能不同,有的相差很大;罨 Ea值越大,改變溫度對(duì)反應(yīng)速率的影響越大。
5、催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響
(1)催化劑對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率影響的規(guī)律:
催化劑大多能加快反應(yīng)速率,原因是催化劑能通過參加反應(yīng),改變反應(yīng)歷程,降低反應(yīng)的活化能來有效提高反應(yīng)速率。
(2)催化劑的特點(diǎn):
催化劑能加快反應(yīng)速率而在反應(yīng)前后本身的質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)不變。
催化劑具有選擇性。
催化劑不能改變化學(xué)反應(yīng)的平衡常數(shù),不引起化學(xué)平衡的移動(dòng),不能改變平衡轉(zhuǎn)化率。
二、化學(xué)反應(yīng)條件的優(yōu)化——工業(yè)合成氨
1、合成氨反應(yīng)的限度
合成氨反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng),同時(shí)也是氣體物質(zhì)的量減小的熵減反應(yīng),故降低溫度、增大壓強(qiáng)將有利于化學(xué)平衡向生成氨的方向移動(dòng)。
2、合成氨反應(yīng)的速率
(1)高壓既有利于平衡向生成氨的方向移動(dòng),又使反應(yīng)速率加快,但高壓對(duì)設(shè)備的要求也高,故壓強(qiáng)不能特別大。
(2)反應(yīng)過程中將氨從混合氣中分離出去,能保持較高的反應(yīng)速率。
(3)溫度越高,反應(yīng)速率進(jìn)行得越快,但溫度過高,平衡向氨分解的方向移動(dòng),不利于氨的合成。
(4)加入催化劑能大幅度加快反應(yīng)速率。
3、合成氨的適宜條件
在合成氨生產(chǎn)中,達(dá)到高轉(zhuǎn)化率與高反應(yīng)速率所需要的條件有時(shí)是矛盾的,故應(yīng)該尋找以較高反應(yīng)速率并獲得適當(dāng)平衡轉(zhuǎn)化率的反應(yīng)條件:一般用鐵做催化劑,控制反應(yīng)溫度在700K左右,壓強(qiáng)范圍大致在1×107Pa~1×108Pa 之間,并采用N2與H2分壓為1∶2.8的投料比。
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