如何进行化学反应研究

1. 化学研究的方法有哪些

有机化学研究手段的发展经历了从手工操作到自动化、计算机化，从常量到超微量的过程。
20世纪40年代前，用传统的蒸馏、结晶、升华等方法来纯化产品，用化学降解和衍生物制备的方法测定结构。后来，各种色谱法、电泳技术的应用，特别是高压液相色谱的应用改变了分离技术的面貌。各种光谱、能谱技术的使用，使有机化学家能够研究分子内部的运动，使结构测定手段发生了革命性的变化。
电子计算机的引入，使有机化合物的分离、分析方法向自动化、超微量化方向又前进了一大步。带傅里叶变换技术的核磁共振谱和红外光谱又为反应动力学、反应机理的研究提供了新的手段。这些仪器和x射线结构分析、电子衍射光谱分析，已能测定微克级样品的化学结构。用电子计算机设计合成路线的研究也已取得某些进展。
未来有机化学的发展首先是研究能源和资源的开发利用问题。迄今我们使用的大部分能源和资源，如煤、天然气、石油、动植物和微生物，都是太阳能的化学贮存形式。今后一些学科的重要课题是更直接、更有效地利用太阳能。
对光合作用做更深入的研究和有效的利用，是植物生理学、生物化学和有机化学的共同课题。有机化学可以用光化学反应生成高能有机化合物，加以贮存；必要时则利用其逆反应，释放出能量。另一个开发资源的目标是在有机金属化合物的作用下固定二氧化碳，以产生无穷尽的有。机化合物。这几方面的研究均已取得一些初步结果。
其次是研究和开发新型有机催化剂，使它们能够模拟酶的高速高效和温和的反应方式。这方面的研究已经开始，今后会有更大的发展。
20世纪60年代末，开始了有机合成的计算机辅助设计研究。今后有机合成路线的设计、有机化合物结构的测定等必将更趋系统化、逻辑化。

2. 有机化学选修五 科学家怎样研究

1.2.1.2
科学家怎样研究有机物

日期

课型

新授

习题

复习

学习目标

1
．

了解常见的有机化学反应的研究的重要性。

2
．

能用同位素示踪法解释简单的化学反应。

3
．

了解甲烷卤代反应、酯化反应、酯水解反应的机理。

4
．

了解逆向合成分析理论

学习重点

甲烷卤代反应、酯化反应、酯水解反应的机理，同位素示踪法研究化学反应机理

自学过程

主要内容

学法与提示

【
问题情景】

1
．

写出甲烷与氯气发生取代反应的化学方程式，当甲烷与氯气的物质的量之比为
1
∶
1
时，生成物中有没
有四氯化碳，为什么？

2
．

写出乙酸与乙醇发生酯化反应的化学方程式，
有人说反应中乙酸分子中脱去的是羟基，
也有人说反应中
乙酸分子中脱去的是羧基，如何证明哪一种说法正确？

【
观察与思考】观察教材
P12
中的图
1
－
16
，结合文字描述，回答下列问题：

1
．

什么是自由基，氯自由基与氯离子的电子式相同吗？

2
．

氯自由基是怎么产生的，自由基能够稳定存在吗？

3
．

甲烷的自由基型链反应是怎么生成二氯甲烷的？

4
．

在什么样情况下自由基反应会结束？

5
．试从反应机理解释为什么甲烷与氯气的反应，不管二者以什么比例反应，都会生成四氯化碳？

【
阅读理解】

认真阅读教材
P13
中的“问题解决”栏目，回答所给问题：

1
．

根据反应中
18
O
的变化情况，推断反应中乙酸脱去是什么基团？

2
．

18
O
和
16
O
是什么关系？

3
．

为什么利用
18
O
能够推断反应中的断键方式，利用了
18
O
的什么性质

3. 如何进行化学反应的可行性分析

化学反应进行的方向
科学家根据反应体系中存在着力图使自身能量趋于“最低”和“有序”变为“无序”的自然现象，对于化学反应进行的方向，提出了互相关联的能量判据和熵判据，即凡是能够使反应体系能量降低、熵增大的反应方向，就是化学反应容易进行的方向。但对于一个具体的反应，需应用两个判据综合进行分析，不能片面地做结论。

（一）自发过程与非自发过程：

不借助外力可以自动进行的过程称为自发过程，而必须在外力的作用下才能进行的过程为非自发过程。

说明：

1、体系有着趋于从能量高的状态变为能量低的状态的过程，此时体系对外界做功或放出能量?D?D这一经验规律就是能量判据。能量判据又称焓判据，即△H< 0的反应有自发进行的倾向，焓判据是判断化学反应进行方向的判据之一。

2、多数能自发进行的化学反应是放热反应。即反应物的总能量大于生成物的总能量。但并不是放热反应都能自发进行，也不是讲吸热反应就不能自发进行。某些吸热反应也能自发进行，如氯化铵与氢氧化钡晶体的反应，还有一些吸热反应在高温下也能自发进行。

3、混乱度：表示体系的不规则或无序状态。?D?D混乱度的增加意味着体系变得更加无序。熵是热力学上用来表示混乱度的状态函数，符号为S，单位为：J?mol-1?K-1 。?D?D体系的无序性越高，即混乱度越高，熵值就越大。

4、在相同条件下，不同物质的熵值不同，同一物质在不同状态时的熵值大小也不一样，一般而言：固态时熵值最小，气态时熵值最大。

5、熵变：化学反应中要发生物质的变化或物质状态的变化，因此存在混乱度的变化，叫做熵变，符号：△S △S＝S产物－S反应物。在密闭条件下，体系由有序自发地转变为无序的倾向?D?D熵增

6、自发过程的熵判据：在与外界隔离的体系中，自发过程将导致体系的熵增大，这一经验规律叫做熵增原理，是判断化学反应方向的另一判据?D?D熵判据。

7、判断某一反应能否自发进行，要研究分析：焓判据和熵判据对反应方向的共同影响。

（二）化学反应进行的方向：

在一定的条件下，一个化学反应能否自发进行，既可能与反应的焓变有关，又可能与反应的熵变有关。在温度、压力一定的条件下，化学反应的方向是熵变和焓变共同影响的结果，反应的判据是：DH－TDS（T为热力学温度，均为正值）。

DH－TDS<0，反应能自发进行；

DH－TDS＝0，反应达到平衡状态；

DH－TDS>0，反应不能自发进行。

即：在温度、压力一定的条件下，自发反应总是向DH－TDS<0的方向进行，直至达到平衡状态。

说明：

1、在判断反应的方向时，应同时考虑焓变和熵变这两个因素。

2、在温度、压强一定的条件下，化学反应自发进行的方向的判据是：

△G ＝ △H－T△S

其中：G 叫作吉布斯自由能。则：

△G ＝ △H －T△S ＜ 0 反应能自发进行

△G ＝ △H －T△S ＝0 反应达到平衡状态

△G ＝ △H－T△S ＞0 反应不能自发进行

3、在温度、压强一定的条件下，焓因素和熵因素共同决定一个化学反应的方向。放热反应的焓变小于零，熵增加反应的熵变大于零，都对DH－TDS<0作出贡献，因此，放热和熵增加有利于反应自发进行。即放热的熵增加反应一定能自发进行，而吸热的熵减小反应一定不能自发进行。

4、当焓变和熵变的作用相反时，如果二者大小相差悬殊，可能某一因素占主导地位。焓变对反应的方向起决定性作用，DH－TDS<0，常温、常压下放热反应能自发进行；熵变对反应的方向起决定性作用，则熵增较大的反应在常温常压下能自发进行。

5、当焓变和熵变的作用相反，且相差不大时，温度有可能对反应进行的方向起决定性作用，使TDS的值大于DH值，反应能够自发进行。

6、在恒温、恒压下，用DG判断化学反应在该状况时自发进行的方向可列表表示：

焓变DH
熵变DS
△G
反应在该状况下能否自发进行

＜0
＞0
＜0
自发进行

＞0
＜0
＞0
不自发进行

＞0
＞0
低温时＞0,高温时＜0
低温不自发,高温自发

＜0
＜0
低温时＜0,高温时＞0
低温自发,高温不自发

7、△H －T△S只能用于说明该反应在理论上能否在此条件下发生，是一个化学反应发生的必要条件，只是反应的可行性问题。过程的自发性只用于判断过程的方向，并不能确定该反应在此条件下是否一定会发生以及过程发生的速率。

8、△H －T△S只用于一定温度和压强下的化学反应方向的判断，不能说明在其他条件下该反应的方向问题。

【典型例题】

例1. 下列关于冰熔化为水的过程判断正确的是（）

A、DH＞0，DS＜0 B、DH＜0，DS＞0

C、DH＞0，DS＞0 D、DH＜0，DS＜0

解析：物质的状态的变化过程中，液化和固化是放热过程，熔化和汽化是吸热过程，故DH＞0；冰融化为水，分子活动能力增强，混乱度增加，故DS＞0。

答案：C

例2. 已知氧化性：Cl2＞Br2＞Fe3＋＞I2；还原性：I－＞Fe2＋＞Br－＞Cl－。下列反应能正向自发进行的是：（）

A、Br2＋2 Fe2＋＝2 Fe3＋＋2 Br－ B、2 Fe3＋＋2 I－＝2 Fe2＋＋I2

C、I2＋2 Fe2＋＝2 Fe3＋＋2 I－ D、2 Fe3＋＋2 Cl－＝2 Fe2＋＋Cl2

解析：氧化还原反应的方向是：强氧化剂与强还原剂反应生成弱氧化剂和弱还原剂。即氧化剂的氧化性大于氧化产物的氧化性，还原剂的还原性大于还原产物的还原性。则A、B符合题意。C中，氧化性I2 ＞Fe3＋，D中氧化性：Fe3＋＞Cl2，均不符合题意。均不符合氧化还原反应进行的方向原则。

答案：AB

例3. 已知：CuSO4溶液分别与Na2CO3溶液、Na2S溶液的反应情况如下：

（1）：CuSO4＋Na2CO3

Cu2＋＋CO32－＋H2O＝Cu（OH）2↓＋CO2↑（主要）

Cu2＋＋CO32－＝CuCO3↓（次要）

（2）CuSO4＋Na2S

Cu2＋＋S2－＝CuS↓（主要）

Cu2＋＋S2－＋2H2O＝Cu（OH）2↓＋H2S↑ （次要）

则下列物质的溶解度的比较正确的是：（）

A、Cu（OH）2 ＞CuCO3 ＞CuS B、Cu（OH）2＜CuCO3 ＜CuS

C、CuS ＞Cu（OH）2＞CuCO3 D、CuS ＜Cu（OH）2 ＜CuCO3

解析：本题是有关物质的溶解度的大小的问题。主要进行的方向是物质的溶解度越小的方向。即：由（1）可知：Cu（OH）2的溶解度小于CuCO3的溶解度，由（2）可知：Cu（OH）2的溶解度大于CuS的溶解度。故本题为：D

答案：D

例4. 已知反应2NO（g）＋2CO（g）＝N2（g）＋2CO2（g）在298K、100kPa的条件下，其DH＝－113.0kJ/mol，DS＝－145.3J/molK。

= 1 \* GB2 （1）请讨论该反应是否能用于消除汽车尾气中的NO？请说明理由。

= 2 \* GB2 （2）已知汽车发动机内的温度高于2000K。能否设计一个装置使该反应在发动机中进行？请分析说明。若假定该反应的DH随温度的变化忽略不计，请计算使该反应能够自发进行的最高温度。

解析：

= 1 \* GB2 （1）能。因为该反应的DH－TDS＝－113.0－298×（－145.3）×10－3＝－69.68kJ/mol＜0，说明该反应在理论上是可行的，故有可能用于消除汽车尾气中的NO。

= 2 \* GB2 （2）不能。因为从DH－TDS这个关系式以及DH＝－113.0kJ/mol，DS＝－145.3J/molK来看，随着T（温度）的升高，会使DH－TDS＞0，即反应在较高的温度下不能自发进行。说明在汽车的发动机中不可能进行该反应。

根据即该反应能够自发进行的最高温度为777.7K。

答案： = 1 \* GB2 （1）能。因为该反应的DH－TDS＜0

= 2 \* GB2 （2）不能。因为随着T（温度）的升高，会使DH－TDS＞0。该反应能够自发进行的最高温度为777.7K

【模拟试题】

1、已知金刚石和石墨在氧气中完全燃烧的热化学方程式为：

① C （金刚石、s）＋O2 （g） ＝CO2 （g） △H1＝－395.41kJ/mol

② C （石墨、s）＋O2 （g） ＝ CO2 （g） △H2＝－393.51kJ/mol

关于金刚石与石墨的转化，下列说法正确的是

A、金刚石转化成石墨是自发进行的过程 B、石墨转化成金刚石是自发进行的过程

C、石墨比金刚石能量低 D、金刚石比石墨能量低

2、知道了某过程有自发性之后，则

A、可判断出过程的方向 B、可确定过程是否一定会发生

C、可预测过程发生完成的快慢 D、可判断过程的热效应

3、碳铵[（NH4）2CO3]在室温下就能自发地分解产生氨气，对其下列说法中正确的是

A、碳铵分解是因为生成了易挥发的气体，使体系的熵增大

B、碳铵分解是因为外界给予了能量

C、碳铵分解是吸热反应，根据能量判据不能自发分解

D、碳酸盐都不稳定，都能自发分解

4、下列反应中，在高温下不能自发进行的是

A、（NH4 ）2CO3（s）＝NH4HCO3（s） NH3（g）

B、2N2O5（g）＝4NO2（g）＋O2（g）

C、MgCO3（s）＝MgO（s）＋CO2（s）

D、CO（g）＝C（s）＋1/2O2（g）

5、可用于判断化学反应的自发与否的是（）

A、仅用焓变 B、仅用熵变

C、仅用焓变和熵变的和 D、用DH－TDS

6、在298K时，氯化钠在水中的溶解度为26g。如将1mol氯化钠溶解在1L水中，此溶解过程中体系的DH－TDS和熵的变化情况是：（）

A、DH－TDS＞0，DS＜0 B、DH－TDS＜0 ，DS ＞0

C、DH－TDS ＞0，DS＞0 D、DH－TDS＜0 ，DS＜0

7、已知反应2CO（g）＝2C（s）＋O2（g）的DH为正值，DS为负值。设DH和DS不随温度而变，下列说法正确的是（）

A、低温下能自发进行

B、高温下能自发进行

C、低温下不能自发进行，高温下能自发进行

D、任何温度下都不能自发进行

8、考察下述自然界的一些自然变化，可发现它们有一些共同的特点。下列说法不正确的是：

A、都有一定的方向性，按某一物理量标度由高到低自发进行

B、都可以用来做功，自发过程一旦发生后体系做功的本领就会降低

C、有一定的进行限度，自发过程总是单向地趋向于非平衡状态

D、用一定的数据差来判断自发变化能否发生

9、下列说法错误的是（）

A、NH4NO3溶于水吸热，说明其溶于水不是自发过程

B、同一种物质气态时熵值最大，液态时次之，而固态时熵值最小

C、借助于外力能自发进行的过程，其体系的能量趋向于从高能状态转变为低能状态

D、由能量判据和熵判据组合而成的复合判据，更适合于所有的过程

10、已知2CO（g） ＝ 2C （s） O2（g）是吸热反应，也是熵减反应。有人曾提出可通过热分解法消除CO对空气的污染，你认为这一建议可行吗？

11、对于反应C2H5OH（g）＝C2H4（g）＋H2O（g），DH＝45.78kJ/mol，DS＝126.19J/mol?K。请通过计算判断在298.15K时，此反应能否进行？

12、高温时空气中的N2和O2会反应生成NO而污染大气：N2（g）＋O2（g）＝2NO（g）。试通过计算说明在1200℃的条件下，此反应能否正向自发进行？估算自发进行的最低温度是多少？（已知：DH＝180.50kJ/mol，DS＝247.7J/mol?K）

【试题答案】

1、C 2、A 3、AC 4、D 5、D

6、B 7、D 8、C 9、A

10、不行，因为在任何情况下DH－TDS都大于0。

11、DH－TDS＝8156J/mol＞0，所以298.15K时，乙醇不能自发脱水生成乙烯

12、DH－TDS＝－184.32kJ/mol＜0，所以该反应在1200℃的条件下能自发进行。

根据 自发进行的最低温度为：728.7K。

4. 化学动力学的研究方法

化学动力学的研究方法有：
①唯象动力学研究方法，也称经典化学动力学研究方法，它是从化学动力学的原始实验数据──浓度c与时间t的关系──出发，经过分析获得某些反应动力学参数──反应速率常数k、活化能Ea、指前因子A。用这些参数可以表征反应体系的速率特征，常用的关系式有：式中r为反应速率；A、B、C、D为各物质的浓度；α、β、γ、δ称为相对于物质A、B、C、D的级数；R为气体常数；T为热力学温度。
化学动力学参数是探讨反应机理的有效数据，对暂态活性中间物检测的时间分辨率已从50年代的毫秒级变为皮秒级。
②分子反应动力学研究方法，从微观的分子水平来看，一个元化学反应是具有一定量子态的反应物分子间的互相碰撞，进行原子重排，产生一定量子态的产物分子以至互相分离的单次反应碰撞行为。用过渡态理论解释，它是在反应体系的超势能面上一个代表体系的质点越过反应势垒的一次行为。原则上，如果能从量子化学理论计算出反应体系的正确的势能面，并应用力学定律计算具有代表性的点在其上的运动轨迹，就能计算反应速率和化学动力学的参数。但是，除了少数很简单的化学反应以外，量子化学的计算至今还不能得到反应体系的可靠的完整的势能面。因此，现行的反应速率理论(如双分子反应碰撞理论、过渡态理论)仍不得不借用经典统计力学的处理方法。这样的处理必须作出某种形式的平衡假设，因而使这些速率理论不适用于非常快的反应。尽管对平衡假设的适用性研究已经很多，但完全用非平衡态理论处理反应速率问题尚不成熟。在60年代，对化学反应进行分子水平的实验研究还难以做到。它应用现代物理化学的先进分析方法，在原子、分子的层次上研究不同状态下和不同分子体系中单分子的基元化学反应的动态结构，反应过程和反应机理。它从分子的微观层次出发研究基元反应过程的速率和机理，着重于从分子的内部运动和分子因碰撞而引起的相互作用来观察化学基元过程的动态学行为。中科院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室在这方面研究有突出的贡献。
③网络动力学研究方法，它对包括几十个甚至上百个元反应步骤的重要化工反应过程（如烃类热裂解）进行计算机模拟和优化，以便进行反应器最佳设计的研究。

5. 研究一个化学反应要从___、___、___三个方面考虑．

化学反应进行的方向和化学反应的限度这是反应动力学所研究的东西，化学反应的快慢是反应热力学研究的东西，所以这三个都属于化学反应原理部分，研究一个化学反应要从化学反应进行的方向、化学反应的快慢、化学反应的限度三个方面考虑，
故答案为：化学反应进行的方向、化学反应的快慢、化学反应的限度．

6. 研究一个化学反应应关注哪五个基本问题

摘要 l. 认识化学变化所遵循的基本原理，初步形成关于物质变化的正确观念；

7. 化学反应的化学研究

在这一时期，丹麦人汤姆生和贝特罗试图从化学反应的热效应来解释化学反应的方向性。他们认为，反应热是反应物化学亲合力的量度，每个简单或复杂的纯化学性的作用，都伴随着热量的产生。贝特罗更为明确地阐述了与这相同的观点，并称之为“最大功原理”，他认为任何一种无外部能量影响的纯化学变化，向着产生释放出最大能量的物质的方向进行。虽然这时他发现了一些吸热反应也可以自发地进行，但他却主观地假定其中伴有放热的物理过程。这一错误的论断在30年代终于被他承认了，这时他才将“最大功原理”的应用范围限制在固体间的反应上，并提出了实际上是“自由焓”的化学热的概念。19世纪60-80年代，霍斯特曼、勒夏特列和范霍夫在这一方面也做了一定的贡献。首先，霍斯特曼在研究氯化铵的升华过程中发现，在热分解反应中，其分解压力和温度有一定的关系，符合克劳胥斯·克拉佩隆方程：dp/dt=Q/T(V'-V)其中Q代表分解热，V、V'代表分解前后的总体积。范霍夫依据一述方程式导出的下式：
lnK=-(Q/RT) c
此式可应用于任何反应过程，其中Q代表体系的吸收的热（即升华热）。范霍夫称上式为动态平衡原理，并对它加以解释，他说，在物质的两种不同状态之间的任何平衡，因温度下降，向着产生热量的两个体系的平衡方向移动。1874年和1879年，穆迪埃和罗宾也分别提出了这样的原理。穆迪埃提出，压力的增加，有利于体积相应减少的反应发生。在这之后，勒夏特列又进一步普遍地阐释了这一原理。他说，处于化学平衡中的任何体系，由于平衡中的多个因素中的一个因素的变动，在一个方向上会导致一种转化，如果这种转化是惟一的，那么将会引起一种和该因素变动符号相反的变化。
然而，在这一方面做出突出贡献的是吉布斯，他在热力化学发展史上的地位极其重要。吉布斯在势力化学上的贡献可以归纳4个方面。第一，在克劳胥斯等人建立的第二定律的基础上，吉布斯引出了平衡的判断依据，并将熵的判断依据正确地限制在孤立体系的范围内。使一般实际问题有了进行普遍处理的可能。第二，用内能、熵、体积代替温度、压力、体积作为变量对体系状态进行描述。并指出汤姆生用温度、压力和体积对体系体状态进行描述是不完全的。他倡导了当时的科学家们不熟悉的状态方程，并且在内能、熵和体积的三维坐标图中，给出了完全描述体系全部热力学性质的曲面。第三，吉布斯在热力学中引入了“浓度”这一变量，并将明确了成分的浓度对内能的导数定义为“热力学势”。
这样，就使热力学可用于处理多组分的多相体系，化学平衡的问题也就有了处理的条件。第四，他进一步讨论了体系在电、磁和表面的影响下的平衡问题。并且，他导出了被认是热力学中最简单、最本质也是最抽象的热力学关系，即相律，在，而平衡状态就是相律所表明的自由度为零的那种状态。
吉布斯对平衡的研究成果主要发表在他的三篇文章之中。1873年，他先后将前两篇发表在康涅狄格州学院的学报上，立即引起了麦克斯韦的注意。吉布斯前两篇文可以说只是一个准备，1876年和1878年分两部分发表了第三篇文章《关于复相物质的平衡》，文章长达300多页，包括700多个公式。两篇文章是讨论单一的化学物质体系，这篇文章则对多组分复相体系进行了讨论。由于热力学势的引入，只要将单组分体系状态方程稍加变化，便可以对多组分体系的问题进行处理了。
对于吉布斯的工作，勒夏特列认为这是一个新领域的开辟，其重要性可以与质量不灭定律相提并论。然而，吉布斯的三篇文章发表之后，其重大意义并未被多数科学家们所认识到，直到1891年才被奥斯特瓦德译成德文，1899年勒夏特列译成法文出版之后，情况顿然改变。在吉布斯之后，热力学仍然只能处理理想状态的体系。这时，美国人洛易斯分别于1901年和1907年发表文章，提出了“逸度”与“活度”的概念。路易斯谈到“逃逸趋势”这一概念，指出一些热力学量，如温度、压力、浓度、热力学势等都是逃逸趋势量度的标度。
路易斯所提出的逸度与活度的概念，使吉布斯的理论得到了有益的补充和发展，从而使人们有可能将理想体系的偏差进行统一，使实际体系在形式上具有了与理想体系完全相同的热力学关系式。综上所述，化学平衡状态是指在一定条件下的可逆反应，正反应和逆反应的速率相等，反应混合物中各组分的浓度保持不变的状态。
化学平衡状态具有逆，等，动，定，变等特征。
逆：化学平衡研究的对象是可逆反应。
等：平衡时，正逆反应速率相等，即v正=v逆。
动：平衡时，反应仍在进行，是动态平衡，反应进行到了最大程度。
定：达平衡状态时，反应混合物中各组分的浓度保持不变，反应速率保持不变，反应物的转化率保持不变，各组分的含量保持不变。
变：化学平衡跟所有的动态平衡一样，是有条件的，暂时的，相对的，当条件发生变化时，平衡状态就会被破坏，由平衡变为不平衡，再在新的条件下建立新平衡。影响化学平衡的因素有很多：如压强温度浓度等。
注意：催化剂不影响化学平衡，仅影响反应速率。在其他条件不变的情况下，增大反应物浓度或减小生成物浓度，可使平衡向正反应方向移动。
勒夏特列原理：如果改变影响平衡的一个条件(浓度压强或温度等)，平衡就向能够减弱这种改变的方向移动。