化學(xué)熱力學(xué)成功地預(yù)測(cè)了化學(xué)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的方向及反應(yīng)進(jìn)行的限度。在熱力學(xué)上能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)很多都是在瞬間完成的。例如:炸藥的爆炸,溶液中酸與堿的中和反應(yīng)等。與此相反,有些反應(yīng),從熱力學(xué)上看是自發(fā)的,但由于反應(yīng)速率太慢幾乎觀測(cè)不到反應(yīng)的進(jìn)行。如氫氣和氧氣生成水的反應(yīng),在298K時(shí),△Gθ為負(fù)值,表明此反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行,但當(dāng)把氫氣和氧氣的混合物于常溫常壓下放置若干年也觀測(cè)不出任何變化。又如一些有機(jī)化合物的酯化和硝化反應(yīng),鋼鐵的生銹以及巖石的風(fēng)化等,均為反應(yīng)速率較慢的反應(yīng)。這一類反應(yīng)是動(dòng)力學(xué)控制的反應(yīng)?;瘜W(xué)動(dòng)力學(xué)是研究化學(xué)反應(yīng)速率和機(jī)理的科學(xué)。影響化學(xué)反應(yīng)速率的因素包括反應(yīng)物的性質(zhì)、反應(yīng)物的濃度、系統(tǒng)的壓力、溫度和催化劑等因素。
研究化學(xué)反應(yīng)速率有著重要的實(shí)際意義,不論對(duì)生產(chǎn)還是對(duì)人類生活都是十分重要的。通過對(duì)反應(yīng)速率的研究人們可以控制反應(yīng)速率,以加速生產(chǎn)過程或延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命,使大自然更好地為人類服務(wù)。
為了比較反應(yīng)速率,首先要明確如何表示反應(yīng)速率。物質(zhì)在進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,反應(yīng)物濃度不斷降低,化學(xué)反應(yīng)速率也將隨著時(shí)間的增加而變慢。在化學(xué)動(dòng)力學(xué)中,反應(yīng)速率是用單位時(shí)間內(nèi)有關(guān)物質(zhì)的量或濃度的改變量來(lái)表示的。反應(yīng)速率既可以用反應(yīng)物消耗速率表示,也可以用生成物的生成速率表示。對(duì)于任一反應(yīng)
aA +bB=dD+eE
反應(yīng)物A、B的消耗速率分別是v(A)=-△c(A)/△t和v(B)=-△c(B)/△t,生成物D、E的生成速率分別是v(D)=△c(D)/△t和v(E)=△c(E)/△t。
由于化學(xué)計(jì)量數(shù)a、b、d、e不一定相等,因而用不同物質(zhì)表示同一個(gè)反應(yīng)的速率也不一定相等。但一個(gè)反應(yīng)的速率只有一個(gè),為此,可以用比速率表示一個(gè)反應(yīng)的速率。對(duì)上述反應(yīng)
v=(1/a)v(A)=(1/b)v(B)=(1/d)v(D)=(1/e)v(E) (1-30)
反應(yīng)速率的單位一般是mol/(dm3·s)。
例1-24 在某一條件下,密閉容器中混有1mol/dm3N2和3mol/dm3H2,反應(yīng)進(jìn)行2s后,NH3的的濃度為0.4mol/dm3。求各參加反應(yīng)物質(zhì)的速率及比速率。
解: N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
開始(mol/dm3): 1 3 0
2s時(shí)(mol/dm3): 0.8 2.4 0.4
變化(mol/dm3): -0.2 -0.6 0.4
v(N2)=0.2/2=0.1mol/(dm3·s)
v(H2)=0.6/2=0.3mol/(dm3·s)
v(NH3)=0.4/2=0.2mol/(dm3·s)
比速率v=0.2/2=0.1mol/(dm3·s)