1、Gaseous Reaction & Air PollutionChapter 3氣體反應 大氣污染第3章1了解大氣的主要污染物，溫室效應、臭氧層空洞、酸雨及光化學煙霧等綜合性大氣污染及其控制。(1) 了解濃度、溫度與反應速率的定量關系；了解元反應和反應級數的概念；能用阿侖尼烏斯公式進行初步計算；能用活化能和活化分子的概念，說明濃度、溫度、催化劑對化學反應速率的影響。(2) 掌握 的關系及有關計算，理解濃度、壓力和溫度對化學平衡的影響。 本章教學要求2 3.1 理想氣體 3.2 化學反應速率 3.3 化學平衡 3.4 大氣污染與防治 本 章 內 容33.1.1 理想氣體狀態方程式3.1.2 分

2、壓定律3.1 理 想 氣 體4氣體的最基本特征：具有可壓縮性和擴散性。 人們將符合理想氣體狀態方程的氣體， 稱為理想氣體。 理想氣體分子之間沒有相互吸引和排斥，分子本身的體積相對于氣體所占有體積完全可以忽略。3.1.1 理想氣體狀態方程式5pV = nRT R- 摩爾氣體常數在STP下，p =101.325kPa, T=273.15Kn=1.0 mol時, Vm=22.414L=22.41410-3m3 R=8.314 kPaLK-1mol-1理想氣體狀態方程式6計算p，V，T，n四個物理量之一氣體摩爾質量的計算M = Mr gmol-1理想氣體狀態方程式的應用 用于溫度不太低，壓力不太高的真

3、實氣體。pV = nRT7 = = m / V氣體密度的計算：即：8組分氣體： 理想氣體混合物中每一種氣體叫做組分氣 體。分壓： 組分氣體B在相同溫度下占有與混合氣體相同體積時所產生的壓力，叫做組分氣體B的分壓。 3.1.2 分壓定律9分壓定律 混合氣體的總壓等于混合氣體中各組分氣體分壓之和。 p = p1 + p2 + 或 p = pB 其中： n =n1+ n2+ 則：即：10分壓的求解：式中：xB B的摩爾分數（）（）（）/ （） 得：即：11 例： 某容器中含有NH3、O2 、N2等氣體的混合物。取樣分析后，其中n(NH3)=0.320mol，n(O2)=0.180mol，n(N2)=

4、0.700mol；混合氣體的總壓p=133.0kPa。試計算各組分氣體的分壓。解：n= n(NH3)+n(O2)+n(N2)=1.200mol=0.320mol+0.180mol+0.700mol12p(N2)= p- p(NH3) - p(O2) =(133.0-35.5-20.0)kPa =77.5kPa133.2 化學反應速率3.2.1 反應速率的表示方法3.2.2 反應速率的影響因素14如果體積不變：3.2.1 反應速率的表示方法注意: 是反應方程的計量數，反應物取負值，生成物取正值。 1. 瞬時速率 15aA + bB yY + zZ對于一般的化學反應：例:N2(g)+3H2(g)2

5、NH3(g)162. 平均速率某一有限時間間隔內濃度的變化量。即為瞬時速率。17例：在給定條件下，H2與N2在密閉容器中合成NH3的反應，各物質濃度變化如下： 起始濃度c0/molL-1 1.0 3.0 02s后濃度c/molL-1 0.8 2.4 0.4濃度的改變量c/molL-1 -0.2 -0.6 +0.4N2(g)+3H2(g)2NH3(g)解：18 由該題可知：同一反應，在相同時間段內，無論用反應物還是生成物所求的反應速率結果相同。191.濃度的影響 3.2.2 反應速率的影響因素對于一般的化學反應：該式被稱為反應速率方程式。20,反應級數： 對反應物A反應級數為； 對反應物B 反應

6、級數為 ； 總反應級數 為 + 。注意：，必須通過實驗確定其值。通常 a，b。 k稱為速率常數：其數值不受濃度（或壓強）的影響，但受溫度的影響。其量綱由反應級數確定。21元反應（基元反應）：由反應物直接生成產物的反應（反應過程無中間產物生成） 復合反應（復雜反應） ：由兩個或兩個以上的反應組合而成的總反應。（在復合反應中,可用實驗檢測到中間產物的存在,但它被后面的一步或幾步反應消耗掉,因而不出現在總反應方程式中。）22對于通式： aA + bB = gG + dD = kc(A)a . c(B)b若為元反應，則反應速率方程為質量作用定律：對于元反應(即一步完成的反應)，反應速率與反應物濃度（以

7、計量數為指數）的乘積成正比。23 故：由質量作用定律可以直接寫出一個元反應的反應速率方程，并確定出其反應級數 2NO + O2 2NO2 = k c(NO)2 . c(O2) 三級反應例如： C2H5Cl C2H4 + HCl = k c(C2H5Cl ) 一級反應 NO2 + CO NO + CO2 = k c(NO2 ) . c(CO) 二級反應24對于復雜反應：2NO + 2H2 N2 + 2H2O反應機理：又稱反應歷程，即組成復合反應的一系列元反應的步驟。研究認為：這個反應按照下列兩個連續的過程進行的2NO + H2 N2 + H2O2 （慢） H2 + H2O2 2H2O（快） 其中

8、該過程中的每一步反應都是元反應，可以根據質量作用定律寫出每一步的速率方程。25又如反應：H2 + I2 2HI，其速率方程為： = k c(H2) . c(I2)，該反應也不是元反應。從速率方程上看似乎是元反應，但它的反應機理：a. I2 2I b. H2 + 2I 2HI26結論：（）對于一個具體的反應，究竟是不是元反應，應以實驗結果為準，切不可望文生義。（）一般情況下：增大反應物質的濃度，反應速率增加。272. 溫度的影響阿侖尼烏斯 S. A. Arrhenius (1859-1927)，瑞典物理化學家，根據大量實驗和理論驗證，提出反應速率與溫度的定量關系式：若以對數關系表示：注意：并非所

9、有的反應都符合阿累尼烏斯公式。 （3.1） (3.2)28式中: A 為指前因子，與速率常數 k 有相同的量綱； Ea 叫做反應的活化能(也稱阿侖尼烏斯活化能)，常用單位為 kJ. mol-1； A 與 Ea 都是反應的特性常數，基本與溫度無關，均由實驗求得。(b)(1/ T )K-1O 圖3-1 常見反應的速率常數k與T的關系圖(a)OT/Kk29 (1) 求Ea：至今仍是動力學中求Ea 的主要方法。 (2) 由Ea計算給定 T 反應速率常數k 。計算常用公式如下：（3.3）阿侖尼烏斯公式的應用30（1） 溫度升高，反應速率常數增大，反應速 率加快。 （2）速率常數不僅與溫度有關還與活化能有

10、關。 結論： 31 以氣體分子運動論為基礎，主要用于氣相雙分子反應。例如：反應發生反應的兩個基本前提： 發生碰撞的分子應有足夠高的能量 碰撞的幾何方位要適當（1）碰撞理論3. 活化能的影響32（2）活化絡合物理論(過渡態理論) 具有足夠能量的分子彼此以適當的空間取向相互靠近到一定程度時，會引起分子或原子內部結構的連續性變化，使原來以化學鍵結合的原子間的距離變長，而沒有結合的原子間的距離變短，形成了過渡態的構型，稱為活化絡合物。33例如：活化絡合物(過渡態)反應物(始態)生成物(終態)34能量II圖3-2 反應系統中活化能示意圖Ea (正) = E - EIEa (逆) = E - EII終態反

11、應過程EIEIIEa (正)Ea (逆)E rHm始態(過渡態)IE 35圖3-3 化學反應過程中能量變化曲線Ea(逆)(正)(正)Ea(逆)EacEac36（3）活化能與反應速率 一般化學反應的活化能在60440kJmol-1之間，活化能的大小對反應速率影響非常大。 由阿侖尼烏斯公式：由公式可知：活化能越小，反應速率越大。37 催化劑：又稱觸媒,是一種能顯著加快反應速率,但在反應前后自身的組成,質量和化學性質不發生變化的物質。4. 催化劑的影響38催化作用的特點 ：只能對熱力學上可能發生的反應起作用。通過改變反應途徑以縮短達到平衡的時間。只有在特定的條件下催化劑才能表現活性。催化劑有選擇性，

12、選擇不同的催化劑會有 利于不同種產物的生成。39（1）均相催化： 催化劑與反應物種在同一相中的催化反應。沒有催化劑存在時，過氧化氫的分解反應為： 加入催化劑Br2，可以加快H2O2分解，分解反應的機理是： 第一步總反應：第二步40催化劑對反應活化能的影響41 實驗結果表明，催化劑參與的分解反應，改變了反應機理，降低了反應活化能，增大了活化分子分數，反應速率顯著增大。活化能降低使活化分子數增加42（2）多相催化： 催化劑與反應物種不屬于同一物相的催化反應。汽車尾氣(NO和CO)的催化轉化： 反應在固相催化劑表面的活性中心上進行，催化劑分散在陶瓷載體上，其表面積很大，活性中心足夠多，尾氣可與催化劑

13、充分接觸。43酶催化：以酶為催化劑的反應。特點： 高效 高選擇性 條件溫和（3）酶催化44 （1）濃度影響：當溫度一定，某反應的活化能也一定時， 濃度增大，分子總數增加，活化分子數隨之增多，即單位體積內活化分數增多,反應速率增大。反應速率的影響因素結論：（2）溫度影響：當濃度一定，溫度升高，即單位體積內活化分數增多,反應速率增大。45（3）加入催化劑：降低了活化能，使更多的分子成為活化分子，即單位體積內活化分數增多，有效碰撞大大增加，反應速率顯著加快。總之：無論那種因素對反應速率的影響，最終看單位體積內活化分子數是否發生變化。若單位體積內活化分子數增加，則反應數率加快；相反，則反應速率減小。4

14、63.3 化學平衡3.3.2 化學平衡的移動3.3.1 平衡常數表達式47 對于恒溫恒壓下不做非體積功的化學反應，當rG 當時，平衡不發生移動； J = 時，平衡向著正反應方向進行。 J 59 例題(重點/考點)：某容器中充有N2O4(g) 和NO2(g)混合物，n(N2O4):n (NO2)=10:1。在308K， 0.1MPa條件下，發生反應： (2)使該反應系統體積減小到原來的1/2，反應在308K，0.2MPa條件下進行，平衡向何方移動？ N2O4(g) NO2(g)； K (308)=0.315(3)在新的平衡條件下，系統內各組分的分壓改變了多少？(1)計算平衡時各物質的分壓； 60

15、2. 溫度的影響 是溫度的函數。 溫度變化引起 的變化，導致化學平衡的移動。(1)對于吸熱反應，升高溫度,反應向著正反應方向移動，到達新平衡時，新的平衡常數增大。即(2)對于放熱反應，升高溫度，反應向著逆反 應方向移動，到達新平衡時，新的平衡常數 減小。即 61 將 1.2 mol SO2 和 2.0 mol O2 的混合氣體，在 800K 和101.325 kPa 的總壓力下，緩慢通過 V2O5 催化劑使生成SO3 ，在恒溫恒壓下達到平衡后，測得混合物中生成的 SO3 為1.1 mol。例題(重點/考點)：(3)討論溫度、總壓力的高低對SO2 轉化率的影響。(2)SO2 的轉化率。(1)試利

16、用上述實驗數據求該溫度下反應 2SO2 + O2 = 2SO3 的 。 62 此反應為氣體分子數減小的反應，又是放熱反應。根據平衡移動原理，高壓低溫有利于提高 SO2 的轉化率。 (3)討論：注：在接觸法制硫酸的生產實踐中，為了充分利用SO2 ，采用比本題更為過量的氧氣，在常壓下 SO2 的轉化率可高達96 % - 98%，所以實際上無需采取高壓。63呂查德里（A. L. Le Chatelier） 原理： 假如改變平衡系統的條件之一，如濃度、壓力或溫度，平衡就向能減弱這個改變的方向移動。 化學平衡的移動或化學反應的方向是考慮反應的自發性，決定于rGm是否小于零；而化學平衡則是考慮反應的限度，

17、即平衡常數，它取決于 rGm (注意不是rGm)數值的大小。特別注意：643.4 大氣污染與防治3.4.1 大氣污染及其危害3.4.2 大氣污染的防治65 氮氧化物：NO、NO2等NOx是形成硝酸酸雨的主要氣體，其毒性比CO高10倍左右。 硫氧化物：SO2、SO3 (SOx)硫氧化物主要來自于燃煤，是形成硫酸酸雨的主要氣體。 顆粒物：大氣顆粒物包括塵（飄塵、落塵）、煙、霧等。 烴類CxHy(或簡寫為 HC) 主要來源有煉油廠排放氣、油品的不完全燃燒。 CO和CO2人類排放量最大的污染物，主要來自于燃料的不完全燃燒。其毒害是使血液失去輸氧能力。3.4.1. 大氣的主要污染物及危害66小高爐煉鋼土

18、法煉鋅貴州威寧彝族回族苗族自治縣二塘鎮671.環境污染物的來源 工業：三廢，量大、成分復雜、毒性強。 農業：農藥、化肥、農業廢棄物等。 交通運輸：噪音、燃料燃燒的排放物等。 生活：生活中的“三廢” 等。68 主要污染物為顆粒物、SO2 等黃色煙霧。12月10日大霧散去，4000 人死亡，其中大部分是老人，感染支氣管炎和有關肺部疾病的患者達數千人.倫敦煙霧 1952.12.5-92. 重要的大氣污染事件69 主要污染物是O3、PAN、醛類、NOx 等藍色煙霧，死亡 400 人。 這類污染容易在夏秋季、氣溫較高的氣象條件下形成。洛杉磯煙霧 1952.1270 (1) 固定源排放的廢氣比例較高、污染

19、嚴重。 (2) 燃煤大國，屬煤煙型污染。 (3) 機動車污染日益嚴重。3. 我國空氣污染的主要特征主要原因：煤為主要能源，廢氣一般雖經除塵但未脫硫。民用煤比例過高。燃煤設備熱效率低。發展中國家。71(1) 消除煙塵(2) 二氧化硫的控制石灰乳法：主要技術措施： *改進產生污染源的生產工藝和設備。 *更換燃料或使用清潔能源。 *凈化排出的廢氣。3.4.2. 大氣污染的防治2Ca(HSO3)2 + O2 + 2H2O 2CaSO42H2O + 2H2SO4 72(3) 汽車廢氣治理六環牌 HX-OEM-3C-I 型三元催化劑 當前 Pt、Pd、Ru 催化劑 (CeO2 為助催化劑、耐高溫陶瓷為載體) 可使尾氣中有害物質轉化率超過 90%。73全球性大氣污染(1) 酸雨 酸雨、全球氣候變暖與臭氧層的破壞是當前困擾世界的三大全球性大氣污染問題。74(1) SO2 + H2O = H2SO3 2H2SO3 + O2 = H2SO4SO3 + H2O = H2SO4(2) 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO酸雨對水體、森林和土壤都有重要影響。酸雨的形成：75 溫室氣體主要有 CO2、CH4、N2O、CFC、O3 等多原