工程化学第二章
《工程化学基础》第2章
碳团簇
在大量的团簇中，研究最多的是碳团簇， 原子数为 20，24，28，32，36，50，60， 70，84，120…的稳定性较高，其中 C60 的 丰度最高，C70 次之。C60 是1985年发现的。 以 C60 作为结构基元而形成的 C60 固体是除 石墨、金刚石外，碳的又一种同素异形体。
O
CO
CO CH2 N Ca N O CO CH2
CH2 CH2
CH2
[CaY]2– 配离子
9
配合物的结构与性能 螯合物的稳定性很强是因为螯合效应的结果。即多 齿配体与中心离子形成了环状结构 。结构对配合物的 性质有很大影响。具有相同化学组成的配合物往往有 不同的空间结构，并表现出不同的性能。 例如
20
非整比化合物（不定组成）与整比化合物(定组成) （水，二氧化碳等）是一对矛盾，他们代表着物质形 成的两种方式，各自发挥着自己的作用。
21
四、金属有机化合物
由金属原子和有机基团中碳原子键合而成，含金 属–碳键（M—C）的化合物称金属有机化合物，如 (C2H5)2 Zn、C6H5Ti(OC3H7)3、(C2H5)4Pb、RMgX（R 为烷基，X为卤素）。 金属有机化合物大体分三类： (1)离子型化合物 (2)σ键化合物 (3)非经典键化合物
《工程化学基础》
第二章 物质的化学组成和聚集状态
1
本章内容提要
物质是由原子、离子、分子等原子的结合态组成 的，根据组成物质的元素的种类的不同，可以将物 质分为无机物和有机物两大类。 原子、分子及其结合态因其所处条件不同，他们 又可分成单质、简单化合物、配合物、高分子化合 物、金属有机化合物等。在一定条件下，他们可以 聚集成固体、液体和气体等宏观状态，表现出不同 的性质、功能和用途。
化学反应工程-第2章
移项并积分得：
dCA kCA a CB b dt
CA 0
kt
dCA CA mCBn
CA
这时假设a，b分别为m， n ，则以时间t为横 坐标，以积分项 C
A0
CA
dC A m n C A CB
为纵坐标，当以具体数据代入时，作图就可 以得到斜率为k的直线。如果得到直线，则表明此 动力学方程是适合于所研究的反应的。若得到曲 线，则表明此动力学应被排除，应该重新假设a， b的值而加以检验。
即：
ln
C Ae
C A0 C Ae C A C Ae
1 k1 1 t K
代入2-20式得：
将实验测得的CA-t数据，按照上式 C
ln
C A0
A
C Ae C Ae
与t作图可以得一条直线，斜率为k1+k2, 又因为k1/k2可知，因此可以求出 k1,k2 值。
2.2 等温恒容过程 ⑵ 反应转化率
第二章 均相反应动力学基础
反应物A的转化率可以用下式定义
反应物A的转化量 n A 0 n A xA ＝ A的起始量 n A0
注意： ① 转化率恒为正。 ② 反应物一般指关键反应物（限制反应物、着眼反应物）， 其是以最小化学计量量存在的反应物。 ③ 根据nA0的选择不同，有单程转化率（以反应器进口物料 为基准，如氨合成过程的合成塔进口循环气。）和总转化率 （以过程进口物料为基准，如氨合成过程的新鲜气。）。
如果cA0远远小于cB0，cB在全部反应时间里近似 于不变，则二级反应可以作为拟一级反应处理。
适用范围：
利用积分法求取动力学方程式的过程， 实际上是个试差的过程，它一般在反应级 数是简单整数时使用。当级数为分数时， 试差就比较困难，这时应该用微分法。 其他不可逆反应动力学方程式的 积分式见书上表2-4.
化学反应工程第二章
1 1 - xA kt
=
nA0
CA nA
CA C A0
=1 - x A
ln
ln
1 1 - xA
斜率﹦k 或
ln
C A0 CA
t
二级不可逆反应 A﹢B→产物
若 CA0﹦CB0
CA
( rA ) kC A
2
dC A dt
kC A C B
dC A dt
1 CA
dC A CA
2.13 93 k 5.02 86.8 k 0.0181 0.0309 1 2.13 K 1 5.02 K B B
2
2
2
9.58 89.3 k 6.46 86.3 k 0.0408 0.0338 1 9.58 K 1 6.46 K B B 3.3 92.2 k 0.0263 1 3.3 K B
第2章 均相反应动力学基础
2.1 概述
均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均 处同一个相内进行的化学反应。
烃类的高温裂解为气相均相反应，酸碱中 和、酯化反应为典型的液相均相反应。
2.1.1化学反应速率及其表示
化学反应速率 ：单位时间、单位反应体积、组分A 的摩尔数变化量称为A组分的反应速率。 例 反应物
1 xA C A0 1 xA
斜率﹦k 或
1 CA
1 C A0
t
若 CA0≠CB0 ,设β﹦ CB0 ／CA0
dC A dt
kC A C B
CA
化学反应工程第二章题解
s 习 题2－1、 银催化剂上进行甲醇氧化为甲醛的反应3223222222232 4CH OH O HCHO H O CH OH O CO H O+?+?进入反应器的原料中，甲醇：空气：水蒸汽＝2：4：1.3（摩尔比），反应后甲醇转化率达72％，甲醛的收率为69.2％，试计算： （1）反应的选择率； （2）反应气体出口组成。
解：（1）由Y S x =⋅得： 06920961072Y .S .x .=== (2) 以进口气体含甲醇2mol 、含空气4mol 、含水蒸汽1.3mol 为计算基准。
参加反应的甲醇的量：2×0.72＝1.44（mol ）出口气体含甲醇：2－1.44＝0.56（mol ）主反应消耗的甲醇：1.44×0.961＝1.38384（mol ） 主反应消耗的氧气：1.38384/2=0.69192（mol ） 主反应生成的甲醛：1.38384（mol ） 主反应生成的水： 1.38384（mol ）副反应消耗的甲醇：1.44×0.039＝0.05616（mol ） 副反应消耗的氧气：0.05616×1.5=0.08424（mol ） 副反应生成的二氧化碳：0.05616（mol ） 副反应生成的水份：0.05616×2=0.11232（mol ）因此，反应气体出口组成如下： 甲醇：0.56（mol ） 甲醛：1.38384（mol ）氧气：4×0.21－0.69192－0.08424＝0.06384（mol ） 氮气：4×0.79＝3.16（mol ） 二氧化碳：0.05616（mol ）水蒸汽：1.3＋1.38384＋0.11232＝2.79616（mol ）折算成摩尔百分比，出口气体含甲醇、甲醛、氧气、氮气、二氧化碳、水蒸汽的分率分别为：7.0%、 17.3%、0.8%、 39.4%、0.7%、34.9%2－2 、试推导 n 级不可逆反应的反应速率常数 C p k k 和的量纲。
化学反应工程第二章均相反应动力学基础
A
A+P
P
P+P
（2-8）
（2-9）
2.1.3 反应的转化率、选择性和收率
⑴转化率 转化率一般用关键组分来表示。所谓关键组分必须是反 应物，生产上选择的关键组分一般是反应物料中的主要
组分,即价值较高且不应是过量的，因此转化率的高低，
会一定程度上反映过程的经济效果，对反应过程的评价 提供直观的信息。
2.1.3 反应的转化率、选择性和收率
对于选择率一般有平均选择率和瞬时选择率之分，以平 行反应（2-5）、（2-6）为例，
两种选择率的定义为： 平均选择率 瞬时选择率 （2-2）
2.1.3 反应的转化率、选择性和收率
⑶收率Y 收率的定义为：
Y 生成目的产物所消耗的 A摩尔数 A的起始摩尔数
（2-3）
COCl2
3 2 2 CO CO Cl 2
(2-12)
该反应的速率方程为：
(rCO ) k c c
（2-18）
则对于氯气的反应级数是分数。
2.1.5 反应动力学方程
⑵反应速率常数kA 由式（2-13）知，当A、B组分的浓度等于1
(rA )k A ，说明kA就是浓度为1时的速率。 时，
温度是影响反应速率的主要因素，随着温度的升高速
三级反应常见。例如下面的气相反应(2-11)：
2NO+O2 动力学速率方程为：
2 (rNO ) k NO cNO cO2
2NO2
(2-11)
（2-17）
2.1.5 反应动力学方程
级数在一定温度范围内保持不变，它的绝对值不会超过3， 但可以是分数，也可以是负数。例如下面的光气合成反 应：
CO+Cl2
生产上还经常遇到循环反应器，如合成氨或合成甲醇的 合成塔等，由于化学平衡或其他原因的限制，原料一次 通过反应器后，转化率一般很低，需要把出口的反应混
2020春工程化学习题集2-动力学
第二章反应动力学习题一、选择题（1）升高温度可以增加反应速率，主要原因是（B）A.增加分子总数B.增加活化分子总数C.降低反应的活化能D.使反应向吸热方向进行（2）增大反应物浓度，使反应速率增大的原因是( D )A. 单位体积的分子数增加B. 反应系统混乱度增加C. 活化分子分数增加D. 单位体积内活化分子总数增加（3）升高同样温度，一般化学反应速率增大倍数较多的是（C )A. 吸热反应B. 放热反应C. E a较大的反应D. E a较小的反应（4）下列叙述中正确的是( B )。
A．溶液中的反应一定比气相中的反应速率大。
B. 反应活化能越小，反应速率越大。
C. 增大系统压力，反应速率一定增大。
D. 加入催化剂，使正反随活化能和逆反应活化能减小相同倍数。
(5) 对于催化剂特性的描述，不正确的是(C)。
(A) 催化剂只能缩短反应达到平衡的时间而不能改变平衡状态(B) 催化剂不能改变平衡常数(C) 催化剂在反应前后其化学性质和物理性质皆不变(D) 加入催化剂不能实现热力学上不可能进行的反应(6) 在一定温度下，可逆反应A + 3B == 2C达到平衡的标志是(A)。
A、A、B、C的浓度不再变化B、A、B、C的分子数之比为1：3：2C、单位时间内，生成n mol A,同时生成3n mol BD、A生成的速率与C生成的速率相等（7）正催化剂能提高反应速率是由于( B)。
A增大反应物之间的碰撞频率 B 降低了反应的活化能C 提高了正反应的活化能D增大了平衡常数值（8）已知下列反应的标准平衡常数：CN2 (g) + O2 (g) 2NO (g) KH2 (g) + 1/2 O2 (g) H2O (g) K2NH3 (g) +5/2 O2 (g) 2NO (g) + 3 H2O (g) KN 2 (g) + 3H2 (g) 2 NH3(g) K则K=_( C )。
A K·K·K；B K·K/ K；C K·(K)3/ K；D K·(K)2/ K。
化学反应工程-第二章 复合反应与反应器选型
16
2.1.4 循环反应器
在工业生产上，有时为了控制反应物的合适浓度， 以便于控制温度、转化率和收率，或为了提高原 料的利用率，常常采用部分物料循环的操作方法， 如图所示。
17
循环反应器的基本假设： ①反应器内为理想活塞流流动； ②管线内不发生化学反应； ③整个体系处于定常态操作。
第二章
复合反应与反应器选型
1
2.2.1 单一不可逆反应过程平推流反应器 与全混流反应器的比较
图2-1 不同反应器中浓度、转化率、反应速率的变化图 2
对于平推流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
P
1
k
cn 1 A0
n
xA 0
1
1
A xA xA
dxA
对于全混流反应器，在恒温下进行，其
设计式为：
m
xA
图2-5 多釜串联反应器的空间时间
11
计算出口浓度或转化率
对于一级反应：
1
cA0 cA1 kcA1
2
cA1 cA2 kcA2
cA1
cA0
1 k1
cA2
cA1
1 k 2
cA0
1 k11 k 2
依此类推：
cAN N cA0
1 ki
i 1
12
如果各釜体积相同，即停留时间相同，则：
cAN
VR1 :VR2 V01 :V02
是应当遵循的条件
6
(2)全混流反应器的并联操作 多个全混流反应器并联操作时，达到相同 转化率使反应器体积最小，与平推流并联 操作同样道理，必须满足的条件相同。
7
(1)平推流反应器的串联操作 考虑N个平推流反应器的串联操作，
化学反应工程第二章解析
第二章 均相反应动力学基础均相反应 均相反应是指参予反应的各物质均处同一个相内进行化学反应。
在一个相中的反应物料是以分子尺度混合的，要求：①必须是均相体系 (微观条件) ②强烈的混合手段 (宏观条件) ③反应速率远小于分子扩散速度一、计量方程反应物计量系数为负，生成物计量系数为正。
计量方程表示物质量之间关系，与实际反应历程无关； 计量系数只有一个公因子；用一个计量方程表示物质量之间关系的体系称为单一反应，反之称为复合反应。
二、化学反应速率单位时间、单位反应容积内组分的物质的量（摩尔数）的变化称之为该组分的反应速率。
反应物：生成物：对于反应三、化学反应速率方程r 是反应物系的组成、温度和压力的函数。
32223NH H N =+032223=--N H NH A A Adn r Vd d t C dt=-=-R R Rdn r Vdt dC dt==A B S R A B S Rαααα+=+SABRABSRr r r r αααα===AA AB r [k (T)][f(C ,C ,)]=有两类；双曲函数型和幂函数型。
k -化学反应速率常数； a(b)-反应级数。
(1)反应级数(i) 反应级数与反应机理无直接的关系，也不等于各组份的计量系数； (ii) 反应级数表明反应速率对各组分浓度的敏感程度；(iii) 反应级数是由实验获得的经验值，只能在获得其值的实验条件范围内加以应用。
(2)反应速率常数k[k]: s -1·(mol/m 3)1-nE ：是活化能，把反应分子“激发”到可进行反应的“活化状态”时所需的能量。
E 愈大，通常所需的反应温度亦愈高，反应速率对温度就愈敏感。
k 0 —指前因子,其单位与 反应速率常数相同；E— 化学反应的活化能,J/mol ； R — 气体常数,8.314J/(mol .K)。
a b A A B r kC C=2220.512H Br HBrHBrBr k c c r c k c =+0exp[]E k k RT=-01ln ln E k k R T=-⨯ln klnk 0 slop=-E/R1/T⏹ 反应速率的温度函数关系● 活化能越高，斜率越大，该反应对温度越敏感； ● 对于一定反应，低温时反应速率对温度变化更敏感。
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第二章物质的化学组成和聚集状态
一、基本概念
1、配位化合物地基本概念（定义、命名）；
2、团簇（分子簇、离子簇、原子簇）
3、整比化合物与非整比化合物；
4、高分子化合物（结构和命名）
5、晶体的基本类型（离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体、混合型晶体、过渡性晶体）
6、非晶体（玻璃态、高弹态、粘流态、玻璃化温度、粘流化温度、分解温度）
7、溶液的蒸气压、凝固点、沸点和渗透压（变化规律、计算）
8、常见的表面活性物质的分类、结构（肥皂、洗衣粉）
9、大气的相对湿度
10、酸雨、温室效应、臭氧层空洞
二、教材习题
1、教材17页（配位化合物的命名举例）
2、教材22页表2—1 （聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚环氧乙烷、聚丙烯晴）分子式；单体；重复单元；聚合度。
4、教材32页练习题1、2、3、4、
5、6题。
5、教材43页练习题2、5、6题；44页思考题2、3题。
6、教材53页表2.11
6、教材62页例2.2；教材67页练习题4、5题。
补充习题
一、判断对错并改正（正确的在括号内“∨”错误的“×”，并改正）
1、分子晶体的晶格结点上交替排列着原子、离子、粒子间靠共价键结合。
（）
2、液态物质的分子间力越小，气化热越大，沸点就越高。
（）
3、一个原子的电负性越大，原子在分子中吸引电子的能力愈强。
（）
4、分子间力与化学键不同，是非直接相连的原子间，基团间和分子间相互作用力的总称。
在小分子中的分子间力则比较简单，可分为取向力、诱导力和色散力三种。
（）
5、配位化合物K[Pt(NH3)Cl3]中只有配位键（）
6、化学反应的反应进度是用来描述和表征化学反应进行程度的物理量。
（）
7、系统和环境的划分和确定是绝对的，而不是相对的。
（）
8、化学反应的反应进度是用来描述和表征化学反应进行程度的物理量。
（）
9、系统和环境的划分和确定是绝对的，而不是相对的。
（）
10、在一定条件下，晶体和非晶体可以互相转化。
（）
11、在离子晶体中，一个阳离子总是属于一个确定的阴离子。
（）
12、在原子晶体中，分子内是共价键，分子间也是共价键。
（）
二、填空题
1、具有“塑料”王之称性能优良的聚四氟乙烯的化学式是它的单体是、重复单元是、属于型高分子化合物。
2、洗衣粉的主要成分是它的化学式是，属型表面活性剂，其亲水基是，在洗涤油污时（要求用化学式表示）插入油污，在不断搅拌下进入水溶液而去除。
3、聚丙烯酸是一种处理废水的高效絮凝剂，它的化学式是，它的单体是，重复单元是属型高分子化合物。
4、配合物Na4[P t Cl6]的名称是，配位中心是，配位体是，配位数是。
5、肥皂的主要成分是十八酸钠，它的化学式是，属型表面活性剂，其亲水基是，在洗涤油污时（要求用化学式表示）插入油污，在不断搅拌下进入水溶液而去除。
6、将20 g的NaCl溶于200 g水中，此溶液的质量摩尔浓度是mol·Kg－1，NaCl 的摩尔分数是。
7、浓度均为0.01 mol·L-1的HAc，NaCl，C6H12O6和CaCl2溶液，其蒸气压由小到大的顺序是，沸点从低到高的顺序是，凝固点从低到高的顺序是。
8、有两种溶液，一种为1.50 g尿素[CO(NH2)2]溶于200 g水中，另一种为42.8 g某非电解质溶于1 000 g水中。
若这两种溶液的凝固点相同，则该非电解质的摩尔质量为g·mol-1。
9、298 K时有一仅能透过水的渗透膜，将0.01 mol·L-1和0.001 mol·L-1的蔗糖溶液分开，欲使该体系达平衡需在溶液上方施加的压力为Pa。
10、海水结冰的温度比纯水结冰的温度，其温度改变值可用关系式表示。
11晶体的四种基本类型是、、、。
12、按照晶胞参数的差异可将晶体分为种晶系，它们具有不同的。
13、MgO晶体的晶格结点上排列的微粒为，微粒间的作用力是，晶体类型为，预测其熔点为。
三、选择题
1、稀溶液依数性的核心性质是( )
A：溶液的沸点升高B；溶液的凝固点下降
C：溶液具有渗透压D：溶液的蒸气压下降
2、一封闭钟罩中放一杯纯水A和一杯糖水B，静止足够长时间后发现( )
A：A杯水减少，B杯中水满后不再变化；
B：A杯变成空杯，B杯中水满后溢出；
C：B杯水减少，A杯水满后不再变化；
D：B杯水减少至空杯，A杯水满后溢出。
3、下列各种物质的溶液浓度均为0.1mol·L-1，按它们的渗透压递减的顺序排列正确的是( )
A：HAc－NaCl－C6H12O6－CaCl2B：C6H12O6－HAc－NaCl－CaCl2
C：CaCl2－NaCl－HAc－C6H12O6 D：CaCl2－HAc－C6H12O6－NaCl
4、土壤中NaCl含量高时，植物难以生存，这与下列稀溶液的性质有关的（）。
A：蒸汽压下降B：沸点上升
C：冰点下降D．渗透压
5、非整比化合物有着特殊的性能与用途，下列化合物不是非整比化合物的（）。
A：α—Si：H B：Cu5Zn
C：Zn（NO3）2D：Y2O2S：E u3+
6、下列四种晶体中，熔点高硬度大是（）。
A：CO2（S）B：CaO C：CaF2D：SiO2
四、计算题
1、在200g水中溶解100g的乙二醇C2H6O2制取汽车用的防冻剂，试计算：
(1)已知25℃时纯水蒸气压是3.18kPa，求该温度下溶液的蒸气压；
(2)该溶液的正常沸点；
(3)该溶液将在什么温度下凝固?
2、海水中盐的总浓度约为0.60 mol·L-1（以质量分数计约为3.5％）若均以主要组分NaCl计，试估算海水开始结冰时的温度和沸腾的温度，以及在25℃时用反渗透法提取纯水所需的最低压力（设海水中盐的总浓度若以质量摩尔浓度m表示也近似为0.60 mol·kg-1，k fp=1.853℃·kg·mol-1、k bp=0.513℃·kg·mol-1）
3、4.5g某难挥发的非电解质溶质和125g水配制成溶液125mL，此溶液的凝固点是－0.372℃，求：
（1）该溶液的质量摩尔浓度；
（2）该溶液的沸点；
（3）该溶液在25℃时的蒸气压。
（已知：k f=1.86℃·kg·mol－1、k b=0.512℃·kg·mol－1、25℃时水的蒸气压
p A=3.18 kpa、H2O的分子量18。
）。