Bài giảng Hoá học đại cương chương 4 Động hóa học, cung cấp cho người học những kiến thức như: Các khái niệm cơ bản; Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Mời các bạn cùng tham khảo!
CHƢƠNG IV : ĐỘNG HĨA HỌC §1 Các khái niệm §2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng §1 Các khái niệm 1.1 Phản ứng đồng thể - phản ứng dị thể + Phản ứng đồng thể: phản ứng xảy phạm vi pha Vd: phản ứng chất khí, dung dịch + Phản ứng dị thể: phản ứng xảy bề mặt phân chia pha hay lớp gần với bề mặt phân chia pha Vd: Phản ứng đốt cháy than khơng khí §1 Các khái niệm 1.2 Vận tốc phản ứng Vận tốc phản ứng đại lượng biểu diễn biến thiên nồng độ chất phản ứng đơn vị thời gian Vd: đơn vị thời gian giây v = mol/l.s = mol.l-1.s-1 C vtb t C dC vtt lim t 0 t dt Qui ước vận tốc dương Dấu (-) tính cho vận tốc theo chất tham gia Dấu (+) tính cho vận tốc theo chất sản phẩm §1 Các khái niệm 1.2 Vận tốc phản ứng Nếu có phương trình có hệ số tỷ lượng khác aA +b B → e E + f F dCA dCB dCE dCF v=== = a dt b dt e dt f dt Vận tốc phản ứng phụ thuộc nhiều yếu tố: chất chất tham gia phản ứng, điều kiện: T, p, nồng độ, khuấy trộn, chất xúc tác, chất dung mơi §2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến vận tốc phản ứng 2.1 Định luật tác dụng khối lƣợng để tính vận tốc phản ứng aA + bB → sản phẩm Theo Gulber- Wage: “Vận tốc phản ứng hoá học tỉ lệ với tích số nồng độ với số mũ hệ số chất phương trình phản ứng a A v = k C C b B Trong đó: CA , CB nồng độ chất phản ứng thời điểm khảo sát (mol/l) a, b hệ số tỷ lượng chất phản ứng k: số vận tốc phản ứng §2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến vận tốc phản ứng 2.1 Định luật tác dụng khối lƣợng để tính vận tốc phản ứng aA + bB → sản phẩm Tổng quát ta có Trong n1 A n2 B v = k C C n1 trùng khác a n2 trùng khác b n1, n2 xác định qua thực nghiệm Bậc phản ứng + Bậc phản ứng: tổng số mũ nồng độ phương trình động học: n= n1 + n2 + Bậc phản ứng biểu diễn ảnh hưởng tổng quát nồng độ đến vận tốc phản ứng + Bậc phản ứng (n) 0, 1, 2, nói chung bậc thấy + Phản ứng hóa học xảy qua nhiều giai đoạn trung gian, giai đoạn chậm định vận tốc phản ứng Ví dụ: H2(k) + I2(k) 2HI(k) v1 k1 C H C I 2 v k C HI Cả hai phản ứng thuận, nghịch bậc hai 2.2 Phƣơng trình động học bậc Ta xét phản ứng đơn giản: A → sản phẩm Để đơn giản gọi nồng độ chất A C k : Hằng số vận tốc phản ứng bậc dC v=Theo định nghĩa: dt Theo định luật tác dụngdC khối lượng: v = k1.C k.C = dt Suy ra: k.dt =- dC C 2.2 Phƣơng trình động học bậc Khi thời gian biến thiên từ t0 đến t nồng độ biến thiên từ C0 đến C t C dC t kdt C C 0 k t t0 ln C C C0 ln C Tại thời điểm ban đầu t0 = 0, ta có: C0 C0 kt ln 2,3lg C C C0 C 2.2 Phƣơng trình động học bậc Giả sử lượng chất phản ứng C = x thì: C0 C0 hay k 2,3lg kt 2,3lg t C0 x C0 x Khi lượng chất hết 1/2 thời gian phản ứng gọi chu kỳ bán huỷ, kí hiệu τ C0 k 2,3lg C C0 10 suy 0, 6932 k 2.3 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến tốc độ phản ứng a Quy tắc Van’t Hoff + Khi nhiệt độ thay đổi số vận tốc k thay đổi + Khi tăng nhiệt độ lên 100C độ vận tốc phản ứng tăng lên từ đến lần + Giả sử có phản ứng nhiệt độ T1 vận tốc phản ứng v1, tăng nhiệt độ lên T2, nghiên cứu thực nghiệm chứng minh được: v2 =γ v1 (T2 -T1 ) 10 + Vậy tăng lên 10oC vận tốc phản ứng tăng lên γ lần, γ thường có giá trị ÷ 4) 11 γ gọi hệ số nhiệt độ, hay gọi hệ số Van’t Hoff 2.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến tốc độ phản ứng b Phương trình Arrehenius + Nghiên cứu thực nghiệm: số tốc độ phản ứng k có quan hệ hàm số mũ với nhiệt độ -Ea /RT k = A e Trong k số tốc độ phản ứng Ea lượng hoạt hoá R số khí lý tưởng T nhiệt độ tuyệt đối A Hằng số đặc trưng cho phản ứng Ea: lượng cần thiết để đưa mol phân tử chất phản ứng có NL trung bình lên trạng thái hoặt động + Ta thấy T tăng k tăng v tăng 12 Năng lƣợng hoạt hóa * Năng lượng hoạt hoá (yếu tố lượng) Xét phản ứng: Br + H2 → HBr + H E [Br H H] E2 E1 - Năng lượng trạng thái đầu E2 - Năng lượng trạng thái phức hoạt động trung gian E3 - Năng lượng trạng thái sản phẩm E3 E1 HBr + H Br+H2 H phản ứng E = E2 – E1 = lượng hoạt hóa phần lượng dư tối thiểu phân tử tham gia phản ứng cần phải có để vượt qua trạng thái phức họat động trung gian tạo thành sản phẩm E coi "hàng rào phản ứng" 13 2.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến tốc độ phản ứng Cách xác định Ea Lấy logarit hai vế Ea lnk = + lnA (*) RT k = A e -Ea /RT Đạo hàm theo T Ea dlnk = dT R.T (**) Nếu coi Ea số, tích phân phương trình (**) lấy cận từ T1 đến T2 Ea 1 Ea 1 k2 ln = - ( - ) = ( - ) k1 R T2 T1 R T1 T1 14 2.2 Ảnh hƣởng nhiệt độ đến tốc độ phản ứng Cách xác định Ea Lấy logarit hai vế k = A e Ea lnk = + lnA RT + Đo k vài nhiệt độ khác + A (hay k0) h/s vận tốc T→∞ + Lập đồ thị lnk =f (1/T) + đồ thị đường thẳng có hệ số góc Ea tg = R 15 -Ea /RT 2.3 Thuyết va chạm hoạt động + Theo thuyết va chạm hoạt động Arrhenius, muốn có phản ứng hóa học cần điều kiện: - Các phần tử tham gia phản ứng phải va chạm - Va chạm hoạt động va chạm có hiệu tức phải có lượng đủ lớn để vượt qua thềm lượng phản ứng chúng định hướng thích hợp Số va chạm lớn có số nhỏ va chạm có hiệu dẫn đến tương tác hóa học 16 2.3 Thuyết va chạm hoạt động Xét phản ứng giứa phân tử loại 2A → sản phẩm Số va chạm phân tử loại giây đơn vị thể tích Z 2n2 ( RT M R – Hằng số khí lý tưởng δ – Đường kính hiệu dụng phân tử n – Số phân tử cm3 M – Khối lượng mol Z0 - Số va chạm 17 ) 2.3 Thuyết va chạm hoạt động Số va chạm có lượng lớn lượng hoạt hóa tính theo định luật phân bố Z = Z0 e - Ea RT Hai phân tử loại nên sau giây cm3 số phân tử tham gia phản ứng Z’ = 2Z Ngoài yếu tố lượng đủ lớn cần có định hướng thích hợp với đặc trưng thừa số xác suất P Vậy vận tốc phản ứng v = 2.Z.P = 2.P Z0e Nếu phản ứng chất khác 18 Ea RT v = Z.P = P Z0e Ea RT 2.4 Ảnh hƣởng xúc tác đến vận tốc độ phản ứng * Xúc tác chất đưa thêm vào hệ phản ứng làm cho tốc độ phản ứng thay đổi * Phân loại xúc tác: - Xúc tác đồng thể: chất xúc tác chất phản ứng pha Vd: dd H2O2 → H2O + O2 dùng dd K2CrO4 làm chất xúc tác - Xúc tác dị thể: chất xúc tác chất phản ứng khác pha Vd: dd H2O2 → H2O + O2 dùng bột MnO2 làm chất xúc tác - Xúc tác men (enzim) xúc tác sinh học 19 2.4 Ảnh hƣởng xúc tác đến vận tốc độ phản ứng * Cơ chế xúc tác dương đồng thể Có phản ứng A + B → AB Chất xúc tác X A + X → AX (h/c trung gian) AX + B → ( AB)*X Phức chất hoạt động ( AB)*X → AB + X Ea : NL hoạt hóa phản ứng khơng xúc tác E1, E2 : NL hoạt hóa giai đoạn tạo h/c trung gian phức chất hoạt động E1, E2