反应动力学的基本概念在线视频

大家好

今天，我们讲第一个知识点

反应动力学的基本概念

我们知道

动力学研究的目的

就是确定反应过程

有哪些步骤组成

找到最慢的（限制环节）步骤

也就是控制步骤

确定影响反应速度的参数

最后，

写出反应速度的数学模型

好

我们今天涉及的第一个概念就是反应速度

我们看一看

反应速度是用什么样的参数

可以进行表征

首先我们来看一个

对于这么一个特定的化学反应来讲

我们可以写成

这样的一个表达式

A+B反应物

生成Q+S

他们之间的系数，

分别是（小写）a、（小写）b、（小写）q和（小写）s

那么对于这样的一个化学反应来讲

我们用什么样的参数来表达

它的反应速度，

在这本书内，

总共讲了四种表达方式

我们（将会）逐次来讲解

第一个：

是按照反应物A与B的消耗速度

来定义反应速度

也就是用表达式

rA=(-)dNA/dt

前面这个负号(-)，

表示物质量是逐渐减少的

所以说，

它的反应速度，

就定义:-dNA/dt

那么对于反应物B来讲

只需要把它的序号(做一些)

相应的变换

就可以（写出表达式）

那么这个表达式，

它的单位

是摩尔每秒（mol/s）

它的值是一个正值

同样我们可以用第二种方法

也就是用生成物q与s的生成速度

来定义反应速度

这时候，

我们的表达式，

就可以写成rQ=dNQ/dt

对于S我们也可以写出

相应的表达式

我们由化学反应的计量关系

可以看出

用不同组份（A、B、Q、S）

所表示的化学反应速度

应该存在以下等式关系

就是我们的式子(2.2)

他们的关系式

分别是-1/a

dNA/dt

那么就等于-1/b

dNB/dt

后面是1/q

dNQ/dt

当然也与我们后面的

s定义的反应速度是相等的(1/s*dNS/dt)

那么这组表达式的单位，

是摩尔每秒（mol/s）

我们式中

a、b、q、s分别是

各组份的化学计量数

大写的NA NB NQ NS是物质的量

单位是摩尔(mol)

我们可以用式子(2.2)中的每一组分

都可以（去）表示

此反应的反应速度

好了，（继续）

在研究具体化学反应式时

为了便于比较

我们通常按照不同强度基准

来表示反应速度

（在这一）本书（中），

一共列举了

以下四种：

我们用Nj表示A、B、Q、S中

任意组份的物质的量

为vj来表示各组份的

化学计量数

反应物是用负号（表示）

产物，我们用正号（表示）

第一种方式

按照流体单位体积计的反应速度

也就是说

对于我们的反应速度

按照单位体积

那么它的单位

就变成了mol/m3.s

mol/m3.s

这样，反应式

就会变成如下形式:

其中(在)我们这个表达式中

多（出）了一个（项）（大写的）V

按照这样的相似原理

我们可以把以下面三种方式

分别进行加以讲解

分别是按照固体单位质量计的

反应速度

单位相界面积计的反应速度

以及固体组份单位体积计

的反应速度

分别，

用W、S和VS来表示

它前面所说的单位质量W

相界面积S和(固体)单位体积VS

从上到下

这四种方式

（分别）适用的范围是

（1）流体内、（2）流固反应

以及固体内、

（3）流体与流体之间的反应

和流体与固体之间的反应

以及（4）流体与流体

流体与固体，他们之间（四种方式）的这个

适用范围

分别得到了我们

（2.3、2.4、2.5、2.6）这四个表达式

（继续）刚才，

我们提到了第一种的

叫（做）流体单位体积计的反应速度，

我们来看一些（它的）

特殊情况

对于这个表达式，

我们分为两种情况

给大家详细地解释一下

第一种：

对于均相反应来讲

我们可以说，对这个式子加以变形

我们可以看到

我们这个式子中的dNj

可以直接写成Cj*V(Nj=Cj*V)

这是因为

我们说这是对于均相反应来讲

那么

物质的量Nj

就可以直接写成Cj*V

那么通过这样的变换（后）

我们对后面的这个式子

进行分步积分

就会变换成

如下这种形式

这是均相反应（的情况）

那么当反应器的容积不变的时候

我们就可以把式子（2.7）

进行进一步的简化

这样，我们就可以（消除dV）

因为我们说容积

不变

那么对于dV来讲

这一项就变成了0

只剩下前面这一项

并且我们可以把这个V进行约掉(消除)

最后得到的式子是（2.8）

在这种情况下

我们只需要测得j组份的

浓度的变化

就可以得到反应速度

好了

前面我们已经叙述了

按生成物

或按反应物来表示

反应速度的方法

在实际应用中

常用的物料

通常采用转化率和反应程度

这两种方法

来表示

已经发生的反应量

进而，

找到了一种方法

就是用转化率和反应程度

来表示反应速度

下面我们分别看一看

如何使用转化率、

反应程度来表示

反应速度的表达式

第一，

我们就要看一看

转化率

那么转化率的概念是什么样的

转化率表示

已经发生的反应量（消耗的量）

占初始含量的百分比

它的表达式，

是XA=(NA0-NA)/NA0

XA=(NA0-NA)/NA0

其中的NA0是初始含量（浓度）

NA是我们现存的量（未消耗的量）

那么NA0-NA就是我们

已经反应（消耗）掉的量

对于反应物B来讲

也可以写成相同的表达式

那么A与B之间

就会存在一个关系式

就是与我们（前面所说）的

化学计量数相关的表达式

类似于(2.10)这个式子

那么我们把上面的A和B

写成一个一般的形式(通用形式)，

就可以写成Xj的形式

同样(经过)移项之后

我们可以写成Nj它的表达式

是与转化率之间

存在(的)这么一个关系式

我们刚才说了（讲了）

反应速度

表达式中

存在Nj(对吧)

我们把Nj这个式子

代(入)到我们的反应速度式里面

这样就会把Nj转变为我们的转化率了

最后得到的化学反应速度式，

它是这样的一种形式(2.12)

这种形式，

其中Nj0是初始(物质的)量

然后dXj就变成了（与）转化率之间的形式

好，这是用转化率表达

反应速度的表达式

下面，

我们再（继续）看一个

（称之为）反应程度

反应程度，

我们用符号ξ

ξ来表示

它的物理意义就是（Nj-Nj0）/vj

除以我们的化学计量数vj

其数值（任何一个组份都是相同）

对于反应中的

任何一个组份都是相同的

同样也可以求出

我们物质的量的表达式

这个大写的Nj，

就可以写成

这样的一个表达式Nj=Nj0+ξvj

用相同的方法

我们把Nj代入

化学反应速度式的表达式中

就可以得出我们式子（2.14）

这是在工程中

常用的两种方法

我们本书中

(在)后面（会经）常（使用）这种方法

就是我们的转化率（方法）

好了

我们刚才也说了

对于某一个反应来讲

我们要找出

它是由哪些步骤组成的

对于简单的反应是

一步完成的

我们称之为单一反应

对于复杂的反应

一般，

化学反应

都要经过几步完成

可以看作是许多简单反应

也称之为基元反应来组成的

我们看一下，下面这个化学反应式

A+B+……

……一些式子

都是反应物

那么生成的是

诸如Q、S还有其他的生成物……

根据质量作用定律

也就是说

化学反应速度与反应组份浓度的

适当方次之（乘）积成正比

在一定温度和压力下

其反应速度式

可以写成r=K*CA的a次方*

CB的b次方，其中比例系数K

我们称之为反应速度常数

那么下面这个式子中的

浓度项的指数

（小写的）a、（小写的）b

以及其他各项之和

就称之为

反应的反应级数n

我们看一下

对于基元反应来讲

实际上

只有按照化学计量式

进行的基元反应

我们的反应级数

才与反应式中的

分子数之和相一致

只有基元反应

其反应的级数

才是一定的正整数

比如说1、2、3

对于非基元反应来讲，

（也就是说）当化学计量方程式中

是由几个机理步骤共同组成的

时候

就不能按照

化学计量方程式中的计量数

去加和

这种情况下

反应级数

可以是分数、

甚至可以是负数

反应级数

一般要通过实验来确定

反应级数

往往表示与反应物质浓度的

某一方次成比例

而不是表示实际上

参与反应的分子个数

所以根据

化学反应方程式

是不能确定反应级数的

讲完反应级数的概念之后，

我们来看一看

影响反应速度的因素

在实际化学反应过程中

反应物转变为产物的速度

受很多因素影响

比如说，反应体系的温度、

压力和组成

有没有催化剂的存在

以及各种物理传递过程有关的

体系参数

比如说，流动条件、

混合程度、

质量和热量传递参数

都会影响反应速度

如果反应体系中

所有的物理传递过程

都是无限快的发生

此时反应速度与温度

与组份浓度的关系

就是我们本征动力学研究的内容

所以说在这样的一个前提条件下

我们看一看影响反应速度的因素

主要有以下两个

第一，

是组份浓度

对化学反应的影响

第二，

是温度对反应速度之间的影响

我们先看第一个

由质量作用定律来表示

一般，

我们的化学反应速度，

与组份浓度之间的关系

是r=K*Ψ(Cj)

其中Ψ(Cj)是反应体系中

各物质浓度的函数

K，是反应温度T时

所对应的反应速度常数

K是温度的函数

是和反应各组份的浓度无关的变量

下面，

我们再接着看

温度与反应速度之间的关系

温度与反应速度之间的关系

是通过反应速度常数k与温度之间(的关系)

进行相互联系的

我们以前学过

阿伦纽斯公式

这个式子

就是阿伦纽斯公式的一个表达式

其中在这个表达式中

T是温度

R是气体的常数

E是反应的活化能

A0是频率因子

也叫指前因子

严格来讲

阿伦纽斯公式定律

只对于单一反应是适用的

如果反应伴随着

平行或者连串的副反应

则由总速度定律

所绘制的LnK对1/T的关系

与直线发生偏离（程度所决定的）

如果反应过程中

物质传递

对反应速度有影响

也会偏离定律的定量关系

我们来回顾一下

我们今天所讲的全部内容

第一个

我们讲（解）了

反应速度

讲（解）了四种表示反应速度的方法

分别是用反应物的消耗速度

生成物的生成速度

以及转化率反应程度

这四种方式

它的表达式中

如我们这边展示的

第二个，

我们讲解了

反应级数的概念

对于基元反应来讲

速度方程式中

浓度项的指数之和

称之为反应级数

最后，

我们讲（解）了

影响反应速度的因素

在假设

物质传递、

速度非常快的条件下

我们讲（解）了本征反应动力学研究的内容

它的主要影响因素有两个

一是组份浓度

二是温度

分别，

通过这两个方程式，

进行表达

好本讲到此结束（谢谢）