Bài giảng Hoá đại cương: Chương 4 cung cấp cho người học những kiến thức như: Một số khái niệm cơ bản; Tốc độ phản ứng; Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Mời các bạn cùng tham khảo!
CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC NỘI DUNG TÀI LIỆU Một số khái niệm [1] – Chương 10: trang 309 – 343 [2] – Chapter 13: page 441 – 485 Tốc độ phản ứng Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Một số khái niệm phản ứng hóa học Phản ứng đơn giản phản ứng xảy qua giai đoạn Ví dụ: NO + O3 NO2 + O2 Phản ứng phức tạp phản ứng xảy qua nhiều giai đoạn Tốc độ phản ứng xác định qua giai đoạn xảy chậm Ví dụ: Chương 2N2O5 4NO2 + O2 N2O5 N2O3 + O2 N2O3 + N2O5 4NO2 nvhoa102@gmail.com (chậm) (nhanh) CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Phản ứng đồng thể phản ứng mà chất phản ứng sản phẩm pha Ví dụ: H2 (khí) + O2 (khí) H2O (khí) HCl(dd) + NaOH(dd) NaCl(dd) + H2O (l) Phản ứng dị thể phản ứng mà chất phản ứng sản phẩm pha khác Ví dụ: C (gr) + O2 (khí) CO2 (khí) CO2 (khí) + CaO (rắn) CaCO3 (rắn) Zn(rắn) + 2HCl(dd) ZnCl2(dd) + H2(khí) Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Tốc độ phản ứng 2.1 Định nghĩa Tốc độ phản ứng hóa học số tác dụng diễn đơn vị thời gian đơn vị thể tích (đối với phản ứng đồng thể) đơn vị thời gian đơn vị diện tích bề mặt phân chia pha (đối với phản ứng dị thể) Thực tế thường dùng đại lượng tỷ lệ với số tác dụng độ thay đổi nồng độ (mol/L) chất phản ứng hay sản phẩm tạo thành đơn vị thời gian, quan sát thay đổi màu sắc, độ đục trong… Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC 2.2 Xác định tốc độ phản ứng theo độ biến đổi nồng độ Xét phản ứng đồng thể: aA + bB cC + dD Tốc độ trung bình (ῡ) tốc độ tính trung bình khoảng thời gian định Δ[A] Δ[B] Δ[C] Δ[D] = = + =+ a Δτ b Δτ c Δτ d Δτ Tốc độ tức thời tốc độ xác định thời điểm khảo sát phản ứng = lim 0 = Chương d[A] d[B] d[C] d[D] = + =+ a dτ b dτ c dτ d dτ nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC 2.3 Biểu thức tốc độ phản ứng bậc phản ứng Xét phản ứng đồng thể: aA + bB cC + dD Biểu thức tốc độ phản ứng: v = k [A]m [B]n v: tốc độ tức thời thời điểm khảo sát k: số tốc độ phản ứng [A], [B]: nồng độ chất A, B thời điểm khảo sát m, n bậc phản ứng A, B m + n: bậc phản ứng tổng cộng phản ứng Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Phản ứng đồng thể - giai đoạn: bậc phản ứng hệ số tỉ lượng theo phương trình (m=a; n = b) Phản ứng phức tạp – nhiều giai đoạn: bậc phản ứng có giá trị khác với hệ số tỉ lượng phương trình Ví dụ: 2N2O5 4NO2 + O2 v = k[N2O5] N2O5 N2O3 + O2 (chậm) N2O3 + N2O5 4NO2 (nhanh) Bậc phản ứng tổng cộng phản ứng tổng bậc phản ứng theo chất chất phản ứng hay tổng số mũ nồng độ chất phản ứng ghi biểu thức tốc độ phản ứng Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HĨA HỌC Ví dụ phản ứng bậc CaCO3 (r) CaO (r) + CO2 (k) v = k.[CaCO3]0 = k C12H22O11 (dd) + H2O (lỏng) ⇌ 2C6H12O6 (dd) v = k.[C12H22O11] Ví dụ phản ứng bậc I2 (khí) 2I (khí) 2N2O5 4NO2 + O2 v = k[I2] v = k[N2O5] Ví dụ phản ứng bậc NO + O3 NO2 + O2 2HI (khí) H2 (khí) + I2 (khí) v = k.[NO].[O3] v = k.[HI]2 Ví dụ phản ứng bậc 3/2 CH3CHO (khí) CH4 (khí) + CO (khí) Chương nvhoa102@gmail.com v = k.[CH3CHO]3/2 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Bậc phản ứng ( v) xác định thực nghiệm Ví dụ 1: Phản ứng 2HI (khí) H2 (khí) + I2 có tốc độ theo nồng độ HI sau: [HI], mol/L v, mol/L.s 0,0050 0,010 7,510-4 3,010-3 (khí) 443 oC 0,020 ? a Xác định bậc viết biểu thức tốc độ phản ứng? b Tính số tốc độ phản ứng nhiệt độ khảo sát? c Tính tốc độ phản ứng nhiệt độ nồng độ HI 0,020 M? Chương nvhoa102@gmail.com CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Biểu thức tốc độ phản ứng có dạng: v = k[HI]n a Khi [HI] = 0,0050 M v1 = k[0,0050]n Khi [HI] = 0,010 M v2 = k[0,010]n Tỷ số 𝑣1 𝑣2 = 0,0050 𝑛 0,010 ↔ 7,5×10−4 3×10−3 = 0,0050 𝑛 0,010 →𝑛=2 Vậy, biểu thức tốc độ phản ứng: v = k[HI]2 b Khi [HI] = 0,0050 M v = 7,510-4 M/s n = 𝑘= 7,5×10−4 0,0050 = 30 M-1.s-1 c Khi [HI] = 0,020 M v = 30[0,020]2 = 1,210-2 M/s Chương nvhoa102@gmail.com 10 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC c Phản ứng bậc 𝑣= 𝑑𝐴 − 𝑑𝜏 =𝑘× [𝐴]2 ↔ 𝑑[𝐴] − [𝐴] = 𝑘 × 𝑑𝜏 (3) Ở thời điểm ban đầu = 0, đặt [A]o = co Ở thời điểm , đặt [A] = c Tích phân (3) Hay c − c dc o𝑐 𝑐 = 𝑘𝜏 + = 𝑐𝑜 τ k 0 dτ → 𝐤𝛕 = − (dạng: y = ax + b) Thời gian để c = co/2 (chu kỳ bán hủy): 𝝉𝟏/𝟐 = Chương 𝟏 𝒄 nvhoa102@gmail.com 𝟏 𝒌𝒄𝒐 17 𝑐𝑜 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng Xét phản ứng: aA + bB sản phẩm v = k[A]m[B]n ; với k A.e E* RT 3.1 Ảnh hưởng nồng độ chất phản ứng Trong hệ đồng thể, nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng tỷ lệ với tích số nồng độ chất phản ứng với số mũ với bậc phản ứng chất tương ứng Đối với phản ứng dị thể, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác hoạt tính hóa học chất phản ứng, diện tích bề mặt tiếp xúc pha, trình chuyển chất… Chương nvhoa102@gmail.com 18 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC 3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ a Quy tắc Van’t Hoff (kinh nghiệm) Khi tăng nhiệt độ lên 10 oC (10 K) tốc độ phản ứng tăng lên khoảng – lần Số lần tăng lên gọi hệ số nhiệt độ tốc độ phản ứng, ký hiệu : k t 10 k t n.10 n hay tổng quát kt kt (t -t1 ) v t2 k t2 t - t1 10 = = , với n = v t1 k t1 10 Chương nvhoa102@gmail.com 19 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HĨA HỌC Ví dụ: Tính số tốc độ k 45 oC số lần tăng tốc độ phản ứng nhiệt độ tăng thêm 100 oC phản ứng 2N2O5 4NO2 + O2, biết 25 65 oC số k phản ứng có giá trị tương ứng 3,7.10-5 5,2.10-3 s-1 k 65 o C = k 25 o C k 45 o C k 25 o C = (45 - 25) 10 x Chương (65 - 25) 10 v145 o C v 45 o C 3 5, 10 = 3, 44 5 3, 10 k 45 o C 3, 105 = 3, 44 = 3, 442 k 45 o C 4, 10-4 s -1 (145 - 45) 10 x 232051,5 laàn nvhoa102@gmail.com 20 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC b Phương trình Arrhenius (thực nghiệm) v = k[A]m [B]n ; với k A.e E* RT k - số tốc độ phản ứng A - thừa số Arrhenius E* - lượng hoạt hóa phản ứng R - số khí, 8,314 J/mol.K; 1,987 cal/mol.K T - nhiệt độ tuyệt đối Chương nvhoa102@gmail.com 21 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Năng lượng hoạt hóa chất phản ứng (E*) lượng tối thiểu cần cung cấp cho tiểu phân để chúng trở thành hoạt động E* nhỏ phản ứng dễ xảy tốc độ phản ứng lớn Chương nvhoa102@gmail.com 22 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HĨA HỌC Tính lượng hoạt hóa (E*): Lấy logarit tự nhiên phương trình Arrhenius: Nếu vẽ đồ thị lnk 1/T đường thẳng có độ dốc -E*/R, từ xác định lượng hoạt hóa (E* = - độ dốc R) Chương E* = - (-1,2.104 8,314) = 105 J/mol nvhoa102@gmail.com 23 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HĨA HỌC Cũng tính E* cách rút dạng hai điểm phương trình Arrhenius: E* ln k2 ln A RT2 E* E* ln k2 ln k1 * RT2 RT1 E ln k1 ln A RT1 k2 E * 1 ln k1 R T1 T2 Ví dụ: Xác định E* phản ứng 2N2O5 4NO2 + O2 ví dụ trước 5, 103 E* 1 * ln E 103536,3 J / mol 5 3, 10 8,314 298 338 Chương nvhoa102@gmail.com 24 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC 3.3 Ảnh hưởng chất xúc tác a Khái niệm xúc tác Chất xúc tác chất thêm vào làm tăng tốc độ phản ứng gây nên phản ứng phản ứng có khả xảy Chất ức chế chất thêm vào làm cho tốc độ phản ứng chậm lại Xúc tác đồng thể chất xúc tác pha với hỗn hợp phản ứng Xúc tác dị thể chất xúc tác có pha khác với hỗn hợp phản ứng Chương nvhoa102@gmail.com 25 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Các đặc điểm chất xúc tác • Lượng dùng chất phản ứng nhiều lần • Khơng thay đổi lượng thành phần tính chất hóa học sau phản ứng (lý thuyết) • Có tính chọn lọc • Khơng làm thay đổi tính chất nhiệt động hệ phản ứng (G, K) Chương nvhoa102@gmail.com 26 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC b Cơ chế tác dụng chất xúc tác Làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng cách thay đổi chế phản ứng Đối với trình xúc tác đồng thể, chất xúc tác kết hợp với chất phản ứng tạo thành phức chất hoạt động trung gian làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng Xét phản ứng: A + B AB Khi xúc tác: A + B A -B AB E1* A + K A -K AK E2* Khi có xúc tác K: AK + B AK -B AB + K E3* E1* >> E2*, E3* Chương nvhoa102@gmail.com 27 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HĨA HỌC Ví dụ: Xét phản ứng phân hủy axit formic Khi khơng có xúc tác: HCOOH OCOH2 CO + H2O Khi có xúc tác H+: Chương nvhoa102@gmail.com 28 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HĨA HỌC Đối với q trình xúc tác dị thể, chế tác dụng chúng chưa hiểu hoàn toàn Xúc tác thường nguyên tố chuyển tiếp hợp chất chúng Xúc tác dị thể thường xảy q trình: • Hấp phụ chất phản ứng lên bề mặt xúc tác • Khuếch tác chất phản ứng dọc theo bề mặt xúc tác • Phản ứng tâm hoạt động xúc tác để tạo thành sản phẩm hấp phụ • Giải hấp phụ sản phẩm Chương nvhoa102@gmail.com 29 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HĨA HỌC Ví dụ xúc tác kim loại rhodium (Rh) sử dụng cho q trình oxi hóa khử để kiểm sốt khí thải ô tô (a) Các phân tử CO NO bị hấp phụ bề mặt rhodium (b) Các phân tử NO bị hấp phụ phân ly thành nguyên tử N O bị hấp phụ (c) Các phân tử CO nguyên tử O bị hấp phụ kết hợp với thành phân tử CO2, phân tử giải hấp phụ thành trạng thái khí Hai nguyên tử N kết hợp thành phân tử N2 giải hấp phụ Chương nvhoa102@gmail.com 30 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Chương nvhoa102@gmail.com 31 ... C 3 5, 10 = 3, 44 5 3, 10 k 45 o C 3, 105 = 3, 44 = 3, 44 2 k 45 o C 4, 10 -4 s -1 ( 145 - 45 ) 10 x 232051,5 laàn nvhoa102@gmail.com 20 CHƯƠNG 4: ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA... 2,010 -4 [O2], M 1,010 -4 3,010 -4 3,010 -4 v, M/s 2,81 0-6 8 ,4? ??1 0-6 3 ,4? ??1 0-5 Biểu thức tốc độ phản ứng có dạng: v = k[NO]m[O2]n Xác định bậc phản ứng: