化學熱力學成功地預測了化學反應自發(fā)進行的方向及反應進行的限度。在熱力學上能自發(fā)進行的反應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等。與此相反,有些反應,從熱力學上看是自發(fā)的,但由于反應速率太慢幾乎觀測不到反應的進行。如氫氣和氧氣生成水的反應,在298K時,△Gθ為負值,表明此反應可自發(fā)進行,但當把氫氣和氧氣的混合物于常溫常壓下放置若干年也觀測不出任何變化。又如一些有機化合物的酯化和硝化反應,鋼鐵的生銹以及巖石的風化等,均為反應速率較慢的反應。這一類反應是動力學控制的反應?;瘜W動力學是研究化學反應速率和機理的科學。影響化學反應速率的因素包括反應物的性質(zhì)、反應物的濃度、系統(tǒng)的壓力、溫度和催化劑等因素。
研究化學反應速率有著重要的實際意義,不論對生產(chǎn)還是對人類生活都是十分重要的。通過對反應速率的研究人們可以控制反應速率,以加速生產(chǎn)過程或延長產(chǎn)品的使用壽命,使大自然更好地為人類服務(wù)。
為了比較反應速率,首先要明確如何表示反應速率。物質(zhì)在進行化學反應時,隨著反應的進行,反應物濃度不斷降低,化學反應速率也將隨著時間的增加而變慢。在化學動力學中,反應速率是用單位時間內(nèi)有關(guān)物質(zhì)的量或濃度的改變量來表示的。反應速率既可以用反應物消耗速率表示,也可以用生成物的生成速率表示。對于任一反應
aA +bB=dD+eE
反應物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。
由于化學計量數(shù)a、b、d、e不一定相等,因而用不同物質(zhì)表示同一個反應的速率也不一定相等。但一個反應的速率只有一個,為此,可以用比速率表示一個反應的速率。對上述反應
v=(1/a)v(A)=(1/b)v(B)=(1/d)v(D)=(1/e)v(E) (1-30)
反應速率的單位一般是mol/(dm3·s)。
例1-24 在某一條件下,密閉容器中混有1mol/dm3N2和3mol/dm3H2,反應進行2s后,NH3的的濃度為0.4mol/dm3。求各參加反應物質(zhì)的速率及比速率。
解: N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)
開始(mol/dm3): 1 3 0
2s時(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)