大學(xué)實驗化學(xué)化學(xué)反應(yīng)速率

1、 大學(xué)實驗化學(xué) 化學(xué)反應(yīng)速率難題解析 TOP 例7-1 HNO2分解反應(yīng)機(jī)理如下，求總反應(yīng)的速率方程表示式。分析 復(fù)合反應(yīng)的每一步都是元反應(yīng)，反應(yīng)的速率方程由速率控制步驟決定。解 ， = v =例 7-2 證明一級反應(yīng)完成99.9%所需要的時間近似為半衰期的10倍。解 t1/2 = 0.693/ k例 7-3 根據(jù)如下的氣相反應(yīng)相關(guān)數(shù)據(jù) T(K) 600 645 k(L2·mol-2m·in-1) 6.62´ 105 6.81´ 105k (L·mol-1·min-1) 8.40 40.8求：（1）兩個溫度下的平衡常數(shù)。 （2）正向反

2、應(yīng)和逆向反應(yīng)的活化能。解 （1）600K時， 640K時，（2）正反應(yīng)的活化 = =2.02 kJ·mol-1 逆反應(yīng)的活化能 =113.0 kJ·mol-1 學(xué)生自測題 TOP 判斷題 選擇題 填空題 問答題 計算題一、判斷題（對的打，錯的打×）1化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)kA與反應(yīng)物的濃度有關(guān)。 （ ）2對于元反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)總是隨著溫度的升高而增大。 （ ）3凡速率方程式中各物質(zhì)濃度的指數(shù)等于反應(yīng)方程式中其化學(xué)式前的系數(shù)時，此反應(yīng)為元反應(yīng)。（ ）4質(zhì)量作用定律僅適用于元反應(yīng)。 （ ）5反應(yīng)N2（g）+3H2（g）2NH3（g），因N2、H2、NH3都處于同一相中，所

3、以此反應(yīng)中催化劑的催化作用為均相催化。（ ）二、選擇題（將每題一個正確答案的標(biāo)號選出） TOP 1實驗測得2ICl（g）+H2（g）I2（g）+2HCl（g）的反應(yīng)速率正比于ICl濃度的一次方和H2濃度的一次方。由此可知此反應(yīng)是 （ ）A三分子反應(yīng)，三級反應(yīng) B雙分子反應(yīng)，二級反應(yīng) C一級反應(yīng)D二級反應(yīng) E三分子反應(yīng)、二級反應(yīng)2某化學(xué)反應(yīng)：A2B Y，若其速率方程為或，則kA與kB的關(guān)系是 （ ）AkA= kB BkA=2 kB C2kA= kB DkA=3 kB E3kA= kB3某化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)物反應(yīng)掉其所需時間恰是它反應(yīng)掉所需時間的1.5倍，則該化學(xué)反應(yīng)的級數(shù)是 （ ）A三級反應(yīng) B無法

4、確定 C二級反應(yīng) D一級反應(yīng) E零級反應(yīng)4某一級反應(yīng)的半衰期t1/2 是30 min，則其反應(yīng)速率常數(shù)k 為 （ ）A20.8 min1 B0.23 min1 C0.023 min1 D43.3 min1 E30 min15在某溫度下，反應(yīng)NH3的平衡常數(shù)K = a。上述反應(yīng)如果改寫為2NH3（g）N2（g）+3H2（g），則在相同溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為 （ ）Aa B1/a Ca2 D1/a2 Ea/2三、填空題 TOP1若反應(yīng)A2B C是基元反應(yīng)，則其反應(yīng)的速率方程可以寫成 （1） ，則其反應(yīng)分子數(shù)是 （2） 。2某反應(yīng)，反應(yīng)物反應(yīng)掉了所需的時間是它反應(yīng)掉所需時間的2倍，這個反應(yīng)是（3）

5、級反應(yīng)。3反應(yīng)AB C的動力學(xué)方程式為，則該反應(yīng)的總級數(shù)是 （4） 級，若濃度以mol·L1為單位，時間以s為單位，則速率常數(shù)的單位是 （5） 。四、問答題 TOP1為什么反應(yīng)物間所有的碰撞并不是全部都是有效的？2A(g) B(g) 產(chǎn)物，總反應(yīng)一定是二級反應(yīng)么？3零級反應(yīng)是否是基元反應(yīng)？具有簡單級數(shù)的反應(yīng)是否一定是基元反應(yīng)？ 五、計算題 TOP1某藥物溶液的初始含量為5.0 g·L1，室溫下放置20個月后含量降為4.2 g·L1。如藥物含量降低10%即失效，且其含量降低的反應(yīng)為一級反應(yīng)，問：（1）藥物的有效期為幾個月？（2）半衰期是多少？2已知在660K時，測得

6、反應(yīng)2NO + O22NO2 實驗數(shù)據(jù)如下：起始濃度(mol·L1)起始速率(mol·L1·s1)降低速率0.0100.0102.5×1030.0100.0205.0×1030.0300.0204.5×102試求：（1）反應(yīng)速率方程式和反應(yīng)級數(shù)；（2）此溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)；（3）當(dāng)= 0.015 mol·L1；= 0.025 mol·L1時的反應(yīng)速率。學(xué)生自測答案 TOP一、判斷題1× 2 3× 4 5×二、選擇題1D 2C 3D 4C 5C三、填空題1（1） （2）3 2（3）一級

7、 3（4）一級 （5）s1四、問答題 （略）五、計算題1解：因為該藥物的降解為一級反應(yīng) 設(shè)該藥物的有效期為x個月，則：2解：（1） 設(shè)速率方程式為 由和式得： n =1 由和式得： m=2 速率方程式為 反應(yīng)級數(shù)為三級（2）將表中數(shù)據(jù)代入速率方程式中得： L2·mol2·s1（3） = 0.015 mol·L1，= 0.025 mol·L1 時，代入速率方程： mol·L1·s1章后習(xí)題答案 TOP習(xí)題1解釋并理解下例名詞 (1)反應(yīng)速率 (2)瞬時速率 (3)元反應(yīng) (4)質(zhì)量作用定律 （5）速率常數(shù) (6) 反應(yīng)級數(shù)（7）半衰期（

8、9）有效碰撞 (9)活化能 解（1）反應(yīng)體系中各物質(zhì)的數(shù)量隨時間的變化率（2）反應(yīng)在每一時刻的真實速率（3）反應(yīng)物分子直接碰撞一步就能轉(zhuǎn)化為生成物的化學(xué)反應(yīng)（4）當(dāng)溫度一定時，元反應(yīng)的反應(yīng)速率與各反應(yīng)物濃度以化學(xué)反應(yīng)計量方程式中相應(yīng)的系數(shù)為指數(shù)的冪之積成正比（5）反應(yīng)速率方程式中的系數(shù)k，在數(shù)值上等于各反應(yīng)物濃度均為1mol·L-1時的反應(yīng)速率；與反應(yīng)的本性及反應(yīng)溫度有關(guān)（6）反應(yīng)速率方程式中各反應(yīng)物濃度方次之和（7）反應(yīng)物反應(yīng)掉一半所需要的時間（8）能發(fā)生反應(yīng)的碰撞（9）活化分子具有的最低能量E 與反應(yīng)物分子的平均能量E平之差2反應(yīng)的速率常數(shù)k的物理意義是什么？當(dāng)時間單位為h，濃度

9、單位為mol·L-1，對一級、二級和零級反應(yīng)，速率常數(shù)的單位各是什么？解 在數(shù)值上等于各反應(yīng)物濃度均為1mol·L-1時的反應(yīng)速率，故k又稱為反應(yīng)的比速率。一級反應(yīng)：h-1; 二級反應(yīng)：L·mol-1·h-1; 零級反應(yīng)：mol·L-1·h-1.3碰撞理論與過渡態(tài)理論各如何闡述反應(yīng)速率的？解 碰撞理論認(rèn)為活化分子在恰當(dāng)?shù)娜∠蛏吓鲎膊拍馨l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，活化能越小，反應(yīng)越快。過渡狀態(tài)理論認(rèn)為反應(yīng)物分子需克服一定的活化能，形成不穩(wěn)定的高能態(tài)活化絡(luò)合物，這一中間物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物也可分解成反應(yīng)物。反應(yīng)速率取決于轉(zhuǎn)化為生成物的快慢。過度狀態(tài)理論借用

10、碰撞理論中活化能的概念，進(jìn)一步從反應(yīng)的微觀過程以及反應(yīng)過程中的能量這兩個方面與反應(yīng)速率聯(lián)系起來考慮，更直觀地揭示反應(yīng)的過程。4溫度升高或降低，可逆反應(yīng)的正、逆向化學(xué)反應(yīng)速率都加快或減慢，為什么化學(xué)平衡會移動？解 溫度對不同反應(yīng)速率的影響相差很大，可逆反應(yīng)的Ea和Ea值不同但均大于零，溫度升高時（其他條件不變），速率常數(shù)增大，因此正、逆反應(yīng)速率都增加。但溫度的改變對Ea值大的反應(yīng)影響顯著，所以溫度升高正、逆反應(yīng)速率增加程度不同，化學(xué)平衡將移動。5. 化學(xué)反應(yīng)的等壓反應(yīng)熱DrHmq與反應(yīng)的活化能之間有什么關(guān)系？解 DrHmq = EaEa6在相同溫度下有如下兩個反應(yīng)： 當(dāng)Ea2 > Ea1時

11、，溫度的改變對那一個反應(yīng)的影響大？請根據(jù)Arrhenius方程說明原因。解 Arrhenius方程為：，對Ea越大的反應(yīng)，其直線斜率越?。ㄒ駿a>0），即k的變化就越大，速率的變化也越大，即表明相同的溫度變化對Ea值大的反應(yīng)影響顯著，因此，對反應(yīng)（2）影響大。7在SO2氧化成SO3 反應(yīng)的某一時刻，SO2的反應(yīng)速率為13.60 mol·L-1·h-1，試求O2和SO3的反應(yīng)速率各是多少？解 反應(yīng)為 v (SO2) = 1/2 v (O2) = v (SO3) 則有 v (O2) = 2 ´ 13.60 mol·L-1·h-1= 27.2m

12、ol·L-1·h-1 v (SO3) = 13.60 mol·L-1·h-18多數(shù)農(nóng)藥的水解反應(yīng)是一級反應(yīng)，它們的水解速率是殺蟲效果的重要參考指標(biāo)。溴氰菊酯在20°C時的半衰期是23天。試求在20°C時的水解常數(shù)。解 據(jù)題意，溴氰菊酯的水解為一級反應(yīng),故t1/2 = 0.693/ k = 23 dk = 3.01 ´ 10-2 d-1925°C時，N2O5的分解反應(yīng)的半衰期是340min，并且與N2O5的最初壓力無關(guān)。求：（1）反應(yīng)的速率常數(shù)是多少？（2）分解完成80%需多少時間？解 (1) 據(jù)題意，此為一級反應(yīng)，

13、即 t1/2 = 0.693/ k = 340 min k = 2.04 ´ 10-3 min-1 (2) ln (p0/p) = 2.04 ´ 10-3 min-1 ´ t t = 789 min10低濃度蔗糖溶液在酸性條件下水解是準(zhǔn)一級反應(yīng)：C12H22Oll + H2O ¾® C6H12O6（葡萄糖）+ C6H12O6（果糖）在45°C時速率常數(shù)為1.88´10-2min-1，若蔗糖濃度為0.100 mol·L-1，試計算：(1)反應(yīng)開始時的瞬時速率。(2)反應(yīng)進(jìn)行到30min時的瞬時速率。（3）反應(yīng)進(jìn)行到3

14、0min時蔗糖的水解率是多少？ 解 （1） v= kc0 = 1.88 ´ 10-2 ´ 0.100 = 1.88 ´ 10-3 mol·L-1· min-1(2) 由 lnc0/c = kt在30min時 lnc= ln0.100 -1.88 ´ 10-2 min-1´ 30min = -2.303-0.546 = -2.867 c = 0.057 mol·L-1(3) 30min 時，水解率為 ´ 100% = ´ 100% = 43%11氣體A的分解反應(yīng)為A(g) ¾®

15、 產(chǎn)物，當(dāng)A的濃度為0.50mol L 1時，反應(yīng)速率為0.014 mol·L-1·s-1。如果該反應(yīng)分別屬于 (1)零級反應(yīng) (2)一級反應(yīng) (3)二級反應(yīng)，則當(dāng)A的濃度等于1.0 mol L 1時，反應(yīng)速率常數(shù)各是多少？解 （1）若為零級反應(yīng) v = k k = 0.014 mol·L-1·s-1(2) 若為一級反應(yīng) v = kc k = v / c = 0.014 mol·L-1·s-1/ 0.50 mol·L-1 = 0.028 s-1 (3) 若為二級反應(yīng) v = kc2 k = v / c2 = 0.014 mo

16、l·L-1·s-1/ (0.50 mol·L-1)2 = 0.056 L·mol-1·s-1 12乙醛的熱分解反應(yīng)是二級反應(yīng)，733K和833K時，反應(yīng)的速率常數(shù)分別為0.038和2.10 L·mol-1·s-1，求（1）反應(yīng)的活化能及773K時的速率常數(shù)。（2）773K時當(dāng)乙醛的濃度為0.050 mol·L-1，反應(yīng)到200s時的速率。解 （1）由 則 = = 203.4 kJ·mol-1同理， = 1.73 ln k773 = 1.73 -3.27 = - 1.54 k773 = 0.21 L

17、3;mol-1·s-1 (2) 對二級反應(yīng) 即 0.21 L·mol-1·s-1 ´200s c = 0.016 mol·L-1v= kc2 = 0.21 L·mol-1·s-1 ´ (0.016 mol·L-1 )2 = 5.38´10-5 mol·L-1·s-113某藥物分解35%既失效，在45°C和55°C測出每小時它分解掉0.068%和0.18%，藥物的分解率不受藥物濃度的影響。問：（1）此藥物在20°C的室溫下可保存多長時間？（2）在4

18、°C冰箱中可保存多長時間？解 由題意此藥物分解反應(yīng)為一級反應(yīng) 318K時, k318 = 0.070 h-1同理 328K時, k328 = 0.20 h-1由兩個溫度下的k值代入公式 得 Ea = 91.04 kJ·mol-1(1) 由上述公式可求得 k293 = 3.71 ´10-3 h-1 即 t = 116h(2) 同理可求得 k277 = 4.28 ´10-4 h-1 即 t = 1007 h14經(jīng)呼吸O2進(jìn)入體內(nèi)，在血液中發(fā)生反應(yīng)：Hb(血紅蛋白) +O2HbO2(氧合血紅蛋白)，此反應(yīng)對Hb和O2均為一級反應(yīng)。在肺部兩者的正常濃度應(yīng)不低于8

19、.0 ´10-6和1.6´10-6 mol·L-1，正常體溫37°C下，該反應(yīng)的速率常數(shù)k=1.98´106 L·mol-1·s-1 ，計算：（1）正常人肺部血液中O2的消耗速率和HbO2的生成速率各是多少？（2）若某位患者的HbO2生成速率達(dá)到1.3´10-4 mol·L-1·s-1，通過輸氧使Hb濃度維持正常值，肺部O2濃度應(yīng)為多少？解 由題可知此反應(yīng)為二級反應(yīng)，且根據(jù)反應(yīng)方程式，O2的消耗速率與HbO2的生成速率相同，即 v (O2) = v (HBO2) = k c(O2) c(HB)（

20、1）v (O2) = v(HBO2) = 1.98 ´106L·mol-1·s-1´8.0´10-6 mol·L-1´1.6´10-6mol·L-1 = 2.53´10-6 mol·L-1·s-1 (2) c(O2) = = 6.42´10-6 mol·L-115青霉素G的分解為一級反應(yīng)，實驗測得有關(guān)數(shù)據(jù)如下：T / K310316327k / h-12.16´10-24.05´10-20.119求反應(yīng)的活化能和指數(shù)前因子A。解 由公式

21、 = = 85.3 kJ·mol-1與之相同方法，用不同溫度下的k求出三個Ea后，求得均值：Ea =84.7 kJ·mol-1又 A = 4.04´1012同理，將不同溫度下的k值代入上述關(guān)系式，求出三個A 值后，得均值：A=4.05´101216在28°C，鮮牛奶大約4h開始變酸，但在5°C的冰箱中可保持48h。假定變酸反應(yīng)的速率與變酸時間成反比，求牛奶變酸反應(yīng)的活化能。解 v k, 由題v1/ t , 即 k1/ t= 75.2 kJ·mol-117反應(yīng)2HI(g) ¾® H2(g) + I2(g)在

22、無催化劑、金及鉑催化時活化能分別為184、105及42kJ mol1，試估算25°C時金、鉑催化時反應(yīng)速率分別是無催化劑時的多少倍？解 設(shè)無催化劑時的速率常數(shù)為k1，金、鉑為催化劑時的速率常數(shù)分別為k2、 k3由 得 = 31.87 = 7.0´1013 金催化是無催化的7.0´10 13倍 同理 = 57.31 = 7.8´1024 鉑催化是無催化的7.8´10 24倍18某酶催化反應(yīng)的活化能是50.0 kJ mol1，試估算此反應(yīng)在發(fā)燒至40°C的病人體內(nèi)比正常人(37°C)加快的倍數(shù)(不考慮溫度對酶活力的影響)。解 由

23、 = 0.19=1.2 40°C病人體內(nèi)此酶的催化反應(yīng)比正常人(37°C)快1.2倍19活著的動植物體內(nèi)14C和12C兩種同位素的比值和大氣中CO2所含這兩種碳同位素的比值是相等的，但動植物死亡后，由于14C不斷蛻變(此過程為一級反應(yīng)) 14C ¾® 14Ne t1/25 720a 14C/12C便不斷下降，考古工作者根據(jù)14C/12C值的變化推算生物化石的年齡，如周口店山頂洞遺址出土的斑鹿骨化石的14C / 12C值是當(dāng)今活著的動植物的0.109倍，試估算該化石的年齡。解 由題 14C蛻變反應(yīng)的速率常數(shù) k = 0.693/ t1/2 = 0.693/

24、5720a = 1.21´10 -4 a-1 化石年齡 = = 1.83´10 4 aExercises1. The major reason why the rate of most chemical reaction increase very rapidly as temperature rises is (a) The fraction of the molecules with kinetic energy greater than the activation energy increases very rapidly as temperature increa

25、ses. (b) The average kinetic energy increases as temperature rises. (c) The activation energy decreases as temperature increases. (d) The more collisions take place with particles placed so that reaction can occur.Solution The answer is (a)2. Psychologists estimate that people forget half of what th

26、eyve learned in six months if they dont use it or review it. If you take a course in your freshman year and dont think about the material again until graduation three years later, how much will you remember? (Assume that forgetting takes place by a first-order process). Solution According to questio

27、n, t1/2 =0.5 a , t = 3 a .This reaction is first-order reaction, so k = 0.693 / t1/2 =0.693/ 0.5a =1.386 aYou will remember 1.56% three years later.3. Use data from the following table to determine the half-life of the first-order decomposition of N2O5 into N2O4 and O2 in CCl4 at 75 °C.T(°

28、C) 25 50 75T1/2(s) 20029 730 ?Solution At 25 °C (298K), k298 = 0.693 / t1/2 = 0.693/20029s = 3.46´10 -5s-1, at 50 °C (323K), k323 = 0.693 / t1/2 = 0.693/730s = 9.49´10 -4s-1. For first-order reaction = Ea = 106 kJ·mol-1= 6.15At 75°C (348K) k348 = 1.62´10 -2s-1 t1/2

29、 = 0.693 / k348 = 0.693 /1.62´10 -2s-1 = 43s4. Researchers have created artificial red blood cells. These artificial red blood cells are cleared from circulation by a first-order reaction with a half-life of about 6 h. If it takes 1 h to get an accident victim, whose red blood cells have been r

30、eplaced by the artificial red blood cells, to a hospital, what percentage of the artificial red blood cells will be left when the person reaches the hospital? Solution According to question, t1/2 = 6 h , t = 1 h, for first-order reaction,k = 0.693 / t1/2 = 0.693/ 6 h = 0.116 h-1ln = k t = 0.116 h-1´1 h = 0.116=1.12 , the artificial red blood cells will be left ´100% = 89 %5. The following data are obtained at a given temperature for the initial rates from a reaction, A + 2B + E 2C + G. cA cB cE Expt (mol·L-1） （ mol·L-1） ( mol·L-1) i