01-2 动力学基础(化学反应速率:质量作用定律、分子碰撞理论、基元反应、总包反应的化学反应速率)

发布时间 2023-04-24 16:37:51作者: sprspr

化学反应速率

定义

通常用单位时间、单位空间内消耗的燃料量或者氧量来表示。单位时间内由于化学反应而使反应物(燃料产物)浓度改变的速率。对于单相反应来说,对应的是容积反应,单位是\(mol/(s·m^3)\)或者\(kg/(s·m^3)\);对于多相反应,进行的是面积反应,单位是\(mol/(s·m^2)\)或者\(kg/(s·m^2)\).

公式、定比定律

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实际应用中

在实际工程应用中,没有直接测量化学反应速率的方式,比较好测量的是浓度和时间,因此可以取浓度为纵坐标,时间为横坐标,求斜率即可获得化学反应速率

质量作用定律(反应物浓度和反应速率之间的关系)

定义

在一定温度下,基元反应在任何瞬间的反应速率与该瞬间参与反应的反应物浓度幂的乘积成正比

公式描述

如果基元反应表达为:\(v_aA+v_bB->v_cC+v_dD\)
则其化学反应速率为:\(w=kc_A^{v_a}c_B^{v_b}\),其中\(v_a\)\(v_b\)是反应物的化学计量数,\(c_A\)\(c_B\)分别对应A和B的是物质的量浓度,k为化学反应速率系数,使用阿伦乌尼斯公式进行定义,也称比速率。(反应物浓度均为单位1时的反应速率)反映了进行燃烧化学反应难易的程度(活性,反应能力),该值仅与反应物的种类和温度有关,与压力和浓度无关。

注意事项

  1. 仅适用于基元反应
  2. 严格讲,仅适用于理想气体
  3. 对于复杂反应,所形成的最终产物是由几步反应所完成的,所以化学反应方程式并非表示整个化学反应的真实过程,因此无法用质量作用定律直接按反应方程判断反应速率与反应物浓度关系
  4. 对于多相反应,仅考虑气相物浓度,对于固相或液相物质不考虑

分子碰撞理论下的化学反应速率

定义与解释

对于简单反应:A+B->C
1个A分子与1个B分子同时碰撞的机会与他们浓度的乘积成正比,如果化学反应是由分子碰撞引起的,则反应速率应与A,B分子同时碰撞的机会成正比。
化学反应速率可以表达为:\(w_m=kc_Ac_B\)

基元反应的化学反应速率(双分子、单分子、三分子)

每一个基元反应的反应速率均源于各自分子间的碰撞的频率。基元反应的化学计量系数代表参与反应的组分的摩尔数,基
元反应分为以下形式,根据质量作用定律,相应的化学反应速率为:

  1. 双分子反应:\(\frac{dc_A}{dt}=-kc_Ac_B\)
  2. 单分子反应:\(\frac{dc_A}{dt}=-kc_A\)
  3. 三分子反应 :\(\frac{dc_A}{dt}=-kc_Ac_Bc_M\)

总包反应的化学反应速率

  • 在分析实际燃烧系统时,为了简化起见,基于总包反应的概念,写出总反应方程式,并借用质量作用定律的形式写出其反应速率表达式。
  • 燃料的消耗速率可表示为:\(\frac{dc_F}{dt}=-kc_F^ac_{o_2}^b\)
  • 对总包化学反应,指数a、b与反应级数有关,由试验曲线拟合而得.