Các thí nghiệm để giới thiệu cho học sinh về sự phụ thuộc nhiệt độ của tốc độ phản ứng

CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ GIỚI THIỆU CHO HỌC SINH VỀ SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ CỦA TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG Đó là một thách thức trong giáo dục hóa học để hiểu các nguyên tắc cơ bản của động học phản ứng hóa học trên cơ s.

CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ GIỚI THIỆU CHO HỌC SINH VỀ SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ CỦA TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG Đó thách thức giáo dục hóa học để hiểu nguyên tắc động học phản ứng hóa học sở thực nghiệm thiết lập thí nghiệm tương đối rộng rãi chuỗi phép đo thường tốn thời gian Đóng góp giới thiệu lĩnh vực phụ thuộc nhiệt độ tốc độ phản ứng với thí nghiệm dễ sử dụng Các hệ thống ghi liệu sử dụng để có đủ liệu nhằm đánh giá phép đo khác động học phản ứng Một số thí nghiệm thiết kế cho khóa học thực tế hóa học, mặt cho phép sinh viên rút quy tắc van't Hoff đơn giản Mặt khác, phương trình Arrhenius suy sở liệu thực nghiệm với trợ giúp thông tin từ lý thuyết va chạm phân bố Maxwell-Boltzmann Giới thiệu Lĩnh vực động học hóa học thường liên quan đến việc nghiên cứu tốc độ tốc độ phản ứng hóa học điều kiện khác diễn giải liệu để thu thông tin chung chế phản ứng hóa học trạng thái chuyển tiếp Do đó, động học hóa học nhánh hóa học vật lý Trong lĩnh vực giáo dục, việc giới thiệu thử nghiệm chủ đề liên quan thách thức đòi hỏi khắt khe với yêu cầu lớn thời gian nguồn lực Để tính tốc độ phản ứng cho phản ứng chậm hơn, người ta phải quan sát nồng độ sản phẩm chất phản ứng theo thời gian phương pháp hóa học ướt cổ điển Đối với phản ứng nhanh hơn, phép đo nồng độ thường thay kỹ thuật phát tính chất vật lý sản phẩm chất phản ứng, chẳng hạn độ hấp thụ ánh sáng độ dẫn điện, tỷ lệ thuận với nồng độ Trong trường hợp này, chuỗi dài phép đo liên tục với nhiều liệu thử nghiệm tự động hóa cách sử dụng hệ thống ghi liệu kỹ thuật số (xem, ví dụ:1 ,2 ) Nói chung, tốc độ q trình hóa học bị ảnh hưởng số yếu tố, bao gồm nồng độ chất phản ứng, nhiệt độ, việc sử dụng chất xúc tác trạng thái kết tụ chất phản ứng Trong phần đóng góp này, chúng tơi tập trung vào ảnh hưởng nhiệt độ Nhiệt độ có tác động lớn đến tốc độ hầu hết phản ứng hóa học Người ta thường biết phản ứng xảy nhanh nhiệt độ cao chậm nhiệt độ thấp Khơng khó hiểu nhiệt độ tăng lên, phân tử chuyển động nhanh va chạm mạnh Do đó, xác suất phân tách xếp lại liên kết hóa học tăng lên nhiều Từ quan điểm giảng dạy, hai chiến lược khác thành cơng việc rút mối quan hệ định lượng nhiệt độ tốc độ phản ứng Một mặt, kiến thức sẵn có người học nâng cao hơn, người ta dạy trực tiếp quy tắc phương trình giảng sau chứng minh tính đắn chúng thí nghiệm phù hợp khóa học phịng thí nghiệm hóa học ( cách suy luận ) Một chiến lược dạy học dạy học theo định hướng vấn đề lịch sử.3 Ý tưởng tái tạo lại tình lịch sử tuân theo chiến lược giải vấn đề bối cảnh đương đại Ví dụ, bắt đầu với phương trình van't Hoff - liên quan đến thay đổi số cân phản ứng hóa học với thay đổi nhiệt độ - người ta rút phương trình Arrhenius với liệu lịch sử từ thí nghiệm nghịch đảo đường mía ban đầu Tất nhiên, phương pháp thành công người học nắm vững kiến thức nhiệt động hóa học Mặt khác, kiến thức sẵn có người học nâng cao, thuận lợi bắt đầu dạy học tượng học với số thí nghiệm động học sau rút quy tắc phương trình dựa liệu thực nghiệm (cách quy nạp ) Người học tự khám phá quy tắc phương trình thí nghiệm cách tuân theo nguyên tắc chủ nghĩa xây dựng Dạy học xây dựng dựa niềm tin việc học xảy người học tích cực tham gia vào q trình xây dựng kiến thức5 Ưu điểm việc thu thập giải thích liệu khơng phải kiện riêng biệt Trong khóa học thực tế, khai thác phần quan trọng trình diễn giải học từ nghiên cứu trước Trong phần đóng góp này, theo đuổi chiến lược thứ hai Trong bước đầu tiên, tập trung vào thí nghiệm dành cho người bắt đầu để rút quy tắc ngón tay đơn giản gọi quy tắc vận tốcnhiệt độ phản ứng quy tắc van't Hoff Ngay phép tính gần có giá trị phạm vi nhiệt độ hẹp phản ứng hóa học, quy tắc van't Hoff đủ để hiểu sâu phụ thuộc nhiệt độ tốc độ phản ứng Trong bước thứ hai, chúng tơi theo đuổi thí nghiệm để rút phương trình Arrhenius phức tạp Để làm điều này, người học cần có số kiến thức chuyên môn lý thuyết va chạm phân bố Maxwell-Boltzmann Đạo hàm thực nghiệm quy tắc Van't Hoff 2.1 Thông tin lai lịch Mối tương quan nhiệt độ tốc độ phản ứng Jacobus Henricus van't Hoff xây dựng vào năm 1884 Quy tắc ơng nói nhiệt độ tăng 10°C dẫn đến tốc độ phản ứng tăng khoảng hai đến bốn lần Hệ số nhiệt độ Q 10 cho phản ứng hóa học cụ thể sau biểu thị (1) Ở đây, viết tắt tốc độ phản ứng nhiệt độ tính Kelvin Ngay quy tắc xấp xỉ sơ bộ, việc xác định hệ số nhiệt độ không thứ nguyên Q 10 chứng tỏ giá trị việc ước tính phụ thuộc nhiệt nhiều q trình sinh học Để rút quy tắc ngón tay cho phản ứng hóa học dựa thí nghiệm, sử dụng nhiều thơng số vật lý khác Các ví dụ điển hình cho thay đổi ghi lại kỹ thuật số đại lượng vật lý động học hóa học nhiệt độ, khối lượng, độ dẫn điện, độ hấp thụ ánh sáng độ pH 2.2 Pha màu nhiệt: Q trình oxy hóa xúc tác axit Tartaric với Hydrogen Peroxide Q trình oxy hóa axit tartaric hydro peroxit thí nghiệm phổ biến thiết lập tốt giáo dục hóa học, sử dụng nhiều biểu diễn động học (xem, ví dụ,6 ,7 ,8 ,9 ) Hầu hết, phản ứng sử dụng để chứng minh tác dụng chất xúc tác, vai trò phức chất hoạt hóa tái sinh chất xúc tác Nếu khơng có chất xúc tác, hàng rào kích hoạt cho phản ứng oxy hóa axit tartaric cao phản ứng diễn chậm nhiệt độ phòng Việc bổ sung coban(II) clorua hexahydrat làm chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng cách đáng kể Phương trình phản ứng tổng thể viết Tiến trình phản ứng chứng minh thay đổi màu sắc kèm theo giải phóng khí tăng nhiệt độ chất tỏa nhiệt mạnh phản ứng Do đó, theo sau hấp thụ ánh sáng, trọng lượng, phép đo nhiệt độ 2.2.1 Quy trình thí nghiệm Dựa quy trình đưa , g kali natri tartrat hòa tan 15 ml nước cất 30°C đĩa nóng đựng cốc có mỏ 250 ml Trong chờ đợi, 20 ml hydro peroxit 30% đun nóng đến 30°C cốc có mỏ 100 ml Một cặp nhiệt điện NiCr-Ni (được kết nối với hệ thống ghi liệu kỹ thuật số) nhúng vào dung dịch tartrate 10 ml dung dịch hydro peroxide thêm vào Quá trình đo nhiệt độ bắt đầu 100 mg coban(II) clorua (CoCl ∙ H O) thêm vào sau phút Một loạt thí nghiệm tiến hành nhiệt độ ban đầu dự kiến 30 °C, 40 °C, 50 °C, 60 °C 70 °C cách sử dụng thiết bị đo CASSY ® LD Didactic 2.2.2 Kết thảo luận Ở trạng thái khác phản ứng, thay đổi màu sắc điển hình quan sát Ban đầu, việc bổ sung coban(II) clorua tạo dung dịch có màu hồng Màu chuyển sang xanh lục phức hợp coban-tartrat trung gian (phức hợp Co(III) hoạt hóa) Trong giai đoạn này, phản ứng trở nên mạnh mẽ nhất, thể qua q trình sinh khí mạnh Cuối cùng, tái sinh chất xúc tác biểu thị trở lại màu màu hồng ban đầu sau giai đoạn trung gian màu nâu Màu sắc thay đổi trình phản ứng thể Hình • • Hình Sự thay đổi màu sắc trình oxy hóa axit tartaric (a: sau thêm chất xúc tác, b: phức hoạt hóa màu xanh cây, c d: tái tạo chất xúc tác) Thoạt đầu, việc ghi lại tơng nhiệt phản ứng hóa học để suy phụ thuộc vào nhiệt độ tốc độ phản ứng nghịch lý Tuy nhiên, phản ứng tỏa nhiệt mạnh, tốc độ phản ứng tương đối xác định cách đo thời gian trôi qua việc bổ sung chất xúc tác nhiệt độ tối đa Do đó, thay đổi nhiệt độ đo trình phản ứng theo dõi nhiệt độ ban đầu khác Các kết trình bày Hình Như liệu Hình cho thấy rõ ràng , việc tăng nhiệt độ khoảng 10 °C làm giảm khoảng 50% thời gian phản ứng Ví dụ: tăng nhiệt độ ban đầu từ 50 °C lên 60 °C tạo hệ số nhiệt độ Q 10 1,92, phù hợp tốt với quy tắc van't Hoff Các phép đo nhiệt độ 70 °C khơng thực tế khí mạnh khiến bọt tràn qua thành cốc • • Hình Hồ sơ nhiệt độ cho q trình oxy hóa xúc tác axit tartaric nhiệt độ ban đầu khác (dữ liệu bắt đầu việc thêm chất xúc tác) • • Hình So sánh ảnh nhiệt q trình oxy hóa axit tartaric với nhiệt độ ban đầu khác (cột bên trái: trạng thái ban đầu thêm chất xúc tác, cột giữa: chạy phản ứng cột bên phải: nhiệt độ tối đa) Là giải pháp thay cho cặp nhiệt điện truyền thống, thay đổi nhiệt độ phản ứng ghi lại không tiếp xúc camera chụp ảnh nhiệt hồng ngoại Để đảm bảo điều kiện ghi thích hợp, thang đo hóa học phải nhân đơi, điều gây bất lợi cho khóa học thực hành Các kết ghi lại hệ thống hình ảnh nhiệt đặt phía vành cốc 10 cm trình bày Hình nhiệt độ ban đầu 30 °C 65 °C Theo kết thu với cặp nhiệt điện, người ta mong đợi chênh lệch nhiệt độ ban đầu 35 °C, tốc độ phản ứng tăng theo hệ số Hệ số thu từ hình ảnh nhiệt nhiệt độ cực đại thỏa thuận hợp lý với giá trị cặp nhiệt điện Do lượng hóa chất cần thiết cho chụp ảnh nhiệt hồng ngoại lớn hơn, nên không khuyến nghị điều tra nhiệt độ ban đầu 65 °C Tuy nhiên, giá trị nhiệt độ tuyệt đối trọng tâm quan tâm, phép ghi nhiệt ví dụ tuyệt vời kỹ thuật trực quan hóa sử dụng với thiết lập thử nghiệm đơn giản - khóa học thực tế 2.3 Hấp thụ ánh sáng: Phản ứng Briggs-Rauscher dao động Phản ứng hóa học với thay đổi màu sắc phù hợp cho mục đích trình diễn Hơn nữa, phản ứng dễ theo dõi trắc quang thay đổi q trình tuyệt chủng liên quan trực tiếp đến thay đổi nồng độ Một phản ứng dao động phổ biến giảng động học hóa học gọi phản ứng Briggs-Rauscher (xem, ví dụ,10 ,11 ,12 ) Mặc dù chế phức tạp, bao gồm q trình khơng triệt để triệt để, phương trình phản ứng tổng thể viết là: Để nghiên cứu phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng Briggs-Rauscher, dung dịch nước ban đầu có chứa hydro peroxit, axit malonic, mangan sunfat (làm chất xúc tác), tinh bột (để biểu thị phức iốt-tinh bột), kali iodat axit sunfuric điều chế sau thủ tục 13 Sau trộn dung dịch ban đầu, màu thay đổi định kỳ quan sát từ màu hổ phách sang màu xanh đậm theo dõi phương pháp đo quang máy đo quang nhúng bước sóng 455 nm Các kết nhiệt độ ban đầu 28 °C, 38 °C 48 °C (được quan sát cặp nhiệt điện) trình bày Hình Có thể thấy, thời gian dao động “pha xanh” (cực tiểu truyền) giảm nhiệt độ tăng Trong phạm vi dao động không đổi, tần số dao động trung bình quan sát từ đường truyền nhiệt độ khác Quy trình mang lạihệ số nhiệt độ Q 10 - tóm tắt Bảng - phù hợp với quy tắc van't Hoff • • Hình Đường cong truyền dẫn bước sóng 455 nm phản ứng BriggsRauscher dao động nhiệt độ khác • Bảng Nhiệt độ ban đầu T , tần số dao động trung bình r kết hệ số nhiệt độ Q 10 phản ứng Briggs-Rauscher Các thí nghiệm để khai thác suy phương trình Arrhenius 3.1 Hấp thụ ánh sáng: Sự đổi màu Thuốc nhuộm Triphenyl Methane Cách truyền thống để dạy ảnh hưởng nhiệt độ đến tốc độ phản ứng giáo dục hóa học sở phức tạp thường tuân theo cách tiếp cận suy diễn chủ yếu dựa cân nhắc lý thuyết Ban đầu, giảng hóa lý, điều lý thuyết va chạm giới thiệu, nêu rõ tốc độ phản ứng hóa học tỷ lệ thuận với số lần va chạm phân tử phản ứng Tuy nhiên, vụ va chạm dẫn đến phản ứng hóa học vượt ngưỡng lượng định phân tử va chạm theo hướng Những yêu cầu sau tóm tắt phương trình Arrhenius: (2) với k số tốc độ phản ứng, R số khí phổ, T nhiệt độ tuyệt đối Đại lượng A gọi hệ số tần số hiểu số tốc độ phản ứng cực đại nhiệt độ lớn vô hạn, ngược lại lượng hoạt hóa phản ứng Ở nhiệt độ phịng, lượng kích hoạt thiểu tương ứng với lượng tối mà phân tử phải có để phản ứng Trong bước thứ hai, gọi biểu đồ Arrhenius thường sử dụng khóa học thực tế để xác định tham số A thí nghiệm cho phản ứng hóa học thích hợp Do đó, phương trình Arrhenius “tuyến tính hóa” logarit hóa phương trình 2, cho (3) Ở dạng xếp lại chút, phương trình trở thành (4) đồ thị ln k so với 1/ T tạo đồ thị tuyến tính Các giá trị số tốc độ phản ứng xác định thực nghiệm nhiệt độ khác Độ dốc đồ thị lượng kích hoạt âm chia cho số khí Giao điểm hàm mang lại giá trị cho ln A 3.1.1 Sự đổi màu Crystal Violet Một ví dụ chứng minh rõ ràng phản ứng đổi màu đổi màu tím tinh thể mơi trường kiềm (xem, ví dụ,1 ,14 ,15 ,16 ) Dựa quy trình đưa trong17 , 25 ml dung dịch natri hydroxit 0,1 M thêm vào 25 ml dung dịch tím tinh thể ∙10 M Độ hấp thụ phản ứng đổi màu ghi lại quang kế nhúng bước sóng 558 nm (λ cực đại tím pha lê khoảng 587 nm 14 ) nhiệt độ ban đầu 20°C, 30°C, 40°C, 50°C, 60°C 70°C Crystal violet thuốc nhuộm cation triphenyl metan ( Hình ) Màu tím dung dịch khoảng pH từ axit yếu đến bazơ yếu bắt nguồn từ hệ thống π liên hợp mở rộng đặc điểm thuốc nhuộm Sau thêm dung dịch natri hydroxit, ion hydroxit nucleophilic công carbon trung tâm điện di để tạo dạng carbinol không màu thuốc nhuộm phá vỡ hệ thống liên hợp Do có lượng dư lớn ion hydroxit, mơ tả điều kiện thí nghiệm trên, nên phản ứng giả bậc Bằng cách sử dụng Luật Lambert-Beer-Bouguer, luật tỷ lệ tích hợp thứ tự giả mang lại (5) Ở đâu độ hấp thụ bước sóng 558nm thời điểm thời điểm tương ứng Theo phương trình 5, số tốc độ phản ứng hiệu thu từ độ dốc âm đồ thị tuyến tính nhiệt độ khác Các giá trị xác định tóm tắt Bảng • Bảng Hằng số tốc độ phản ứng k' đổi màu tinh thể tím nhiệt độ khác Cuối cùng, số tốc độ phản ứng tính tốn sử dụng để xác định lượng kích hoạt hệ số tần số Biểu đồ Arrhenius tương ứng trình bày Hình Năng lượng kích hoạt E A = 55,2 kJ/mol tính từ độ dốc đồ thị nằm phạm vi liệu công bố đổi màu tím tinh thể khoảng 64 kJ/mol1 47,4 kJ/mol17 • • • Hình Biểu đồ Arrhenius cho phản ứng tinh thể tím với natri hydroxit • Hình Phản ứng đổi màu nucleophilic tinh thể tím (a) FCF xanh rực rỡ (b) 3.1.2 Sự đổi màu Brilliant Blue FCF Màu thực phẩm sử dụng giải pháp thay để kết nối nghiên cứu động học gần gũi với sống hàng ngày học sinh Sự đổi màu FCF xanh rực rỡ (xem Hình ) với natri hypochlorite ví dụ Brilliant blue FCF - gọi E133 - sử dụng rộng rãi nhà sản xuất thực phẩm Phản ứng bậc giả đổi màu màu thực phẩm tương tự phản ứng pha lê tím Tuy nhiên, lợi quan trọng vô hại FCF màu xanh rực rỡ so với màu tím pha lê cho chất gây ung thư Màu thực phẩm phù hợp với nghiên cứu quang phổ hệ số suy giảm cực lớn ε = 10066 l∙mol -1 ∙cm -1 λ cực đại 638 nm18 Để làm cho thí nghiệm phù hợp với lớp học khóa học thực tế, thiết lập chi phí thấp chọn Cơ sở thiết lập quang kế cách điện in 3D hoạt động với điốt phát sáng (LED) làm nguồn sáng, máy dò (xem.18 ) Lượng ánh sáng tỷ lệ thuận với điện áp dòng quang cảm ứng đèn LED máy dò Bộ chia điện áp chi phí thấp kết hợp với khuếch đại hoạt động sử dụng để đo điện áp Tất phận điện tử kết nối với vi điều khiển Arduino Uno để cung cấp thiết lập nhỏ gọn khả ghi lại liệu đo Để có thiết bị giá rẻ hoạt động thân thiện với người dùng, giao diện người dùng đồ họa (GUI) bổ sung thiết kế với phần mềm MATLAB Điều cho phép người học vừa điều khiển vi điều khiển, vừa đánh giá liệu đo Việc thiết lập hoàn chỉnh vi điều khiển thể Hình • • Hình Thiết lập quang kế nhúng chi phí thấp kết nối với vi điều khiển Arduino Uno (a) GUI ghi liệu thiết kế MATLAB (b) Quy trình thí nghiệm tương tự phản ứng đổi màu nucleophin tinh thể tím, ngoại trừ việc sử dụng dung dịch natri hypoclorit 6% làm chất oxy hóa Phản ứng đổi màu thành cơng với natri hydroxit, nhóm sulfonate FCF xanh rực rỡ ức chế công nucleophile, dẫn đến thời gian phản ứng dài (khoảng 24 giờ), điều không khả thi khóa học thực hành Do đó, ml dung dịch natri hypoclorit 6% thêm vào 120 ml dung dịch 2∙10 M FCF màu xanh rực rỡ Độ hấp thụ phản ứng đổi màu ghi lại quang kế giá rẻ mô tả trước gần ban đầu 22 °C, 40 °C 60 °C 18 nhiệt độ Hằng số tốc độ phản ứng nhiệt độ khác nhau, xác định tương tự quy trình mơ tả phần 3.1.1., tóm tắt Bảng • Bảng Hằng số tốc độ phản ứng k' đổi màu FCF xanh rực rỡ nhiệt độ khác Cuối cùng, vẽ đồ thị Arrhenius dựa số tốc độ phản ứng Năng lượng kích hoạt tính tốn E A = 57,5 kJ/mol phản ứng, biểu thị hệ số góc đồ thị Arrhenius, hợp lý phản ứng kiểm tra (xem, ví dụ,19 ) 3.2 Giảm cân: Phân hủy đá cẩm thạch Cách tiếp cận quy nạp để rút phương trình Arrhenius thực nghiệm rõ ràng khó Ban đầu, liệu thực nghiệm phải ghi lại cho phản ứng hóa học với phụ thuộc nhiệt độ đáng ý tốc độ phản ứng Một ví dụ thích hợp cho điều phân hủy đá cẩm thạch axit clohydric (xem, ví dụ,1 ,20 ,21 ) Phản ứng hóa học đằng sau phân hủy đá cẩm thạch canxit với thành phần chung viết dạng đơn giản hóa sau: Do đó, với lượng đá cẩm thạch axit clohydric biết, việc trọng lượng tạo carbon dioxide hệ thống mở đo trọng lượng Các bước phụ toàn trình - khuếch tán chất phản ứng đến sản phẩm từ bề mặt đá cẩm thạch, phân hủy đá cẩm thạch phân rã axit cacbonic thành carbon dioxide nước - phức tạp Tuy nhiên, lúc đầu, phản ứng tuân theo quy luật tốc độ phản ứng giả bậc với điều kiện mảnh đá cẩm thạch lớn lượng dư axit clohydric sử dụng thí nghiệm Trong điều kiện này, bước xác định tỷ lệ phản ứng phân hủy đá cẩm thạch 3.2.1 Quy trình thí nghiệm Ban đầu, 80 ml axit clohydric (37%) hòa tan 80 ml nước cất Các phần 25 ml ( V ) dung dịch axit bán đậm đặc ( c = mol/l) chuyển vào cốc 100 ml đưa nhiệt độ ban đầu khác (10 °C, 25 °C, 40 °C, 50 °C 65 °C) Đồng thời, miếng đá cẩm thạch (mỗi miếng khoảng 10 g, kích thước xấp xỉ nhau) đưa đến nhiệt độ cần thiết Cuối cùng, cốc thủy tinh đặt cân (được kết nối với hệ thống ghi liệu kỹ thuật số), mảnh đá cẩm thạch thêm vào phép đo bắt đầu môi trường cách nhiệt 3.2.2 Kết thảo luận Sau bắt đầu phản ứng, người ta quan sát thấy có sinh khí mạnh kèm theo sụt giảm trọng lượng Việc giảm trọng lượng quan sát được chuyển đổi thành nồng độ axit clohydric thực tế cách sử dụng phương trình (6) Kết thay đổi nồng độ biểu thị theo thời gian trình bày Hình Có thể thấy, lúc đầu (60 giây đầu tiên) phản ứng bậc giả không nhiệt độ, số tốc độ phản ứng k' suy từ độ dốc đồ thị tuyến tính tuân theo định luật tốc độ tích hợp giả -phản ứng khơng bậc (7) • • Hình Biểu đồ thay đổi nồng độ HCl theo thời gian nhiệt độ khác Tương tự Hình , đồ thị ln k' so với 1/ T mang lại lượng kích hoạt E A = 24,4 kJ/mol cho trình phân hủy đá cẩm thạch, phù hợp với giá trị E A = 19 ± kJ/ mol báo cáo Alkatan et al 22 Vượt thời gian 120 giây trôi qua, phản ứng tuân theo định luật tốc độ bậc Việc đánh giá liệu thực nghiệm sở phản ứng bậc mang lại lượng kích hoạt E A = 22,3 kJ/mol Tuy nhiên, phát triển nhiệt lớn đáng kể thời gian phản ứng kéo dài dẫn đến sai số lớn đáng kể biểu đồ Arrhenius • • Hình Đồ thị số tốc độ phản ứng theo nhiệt độ tuyệt đối T cho q trình phân hủy đá cẩm thạch • • Hình 10 Sự phụ thuộc nhiệt độ số tốc độ phản ứng Ngược lại, cách quy nạp để rút cơng thức tốn học cho phương trình Arrhenius từ liệu thực nghiệm bắt đầu đồ thị đồ thị số tốc độ phản ứng k' theo nhiệt độ tuyệt đối T kèm theo Biểu đồ hiển thị Hình Có thể thấy mối tương quan hàm mũ tuyến tính Về ngun tắc, tồn phạm vi nhiệt độ, hàm toán học mong muốn phải đáp ứng điều kiện biên sau: (i) Từ lý thuyết va chạm, rõ ràng nhiệt độ thấp gần K, hạt chất phản ứng nhiều bị đóng băng, va chạm nhẹ đó, số tốc độ đạt giá trị nhiệt độ thấp phạm vi (ii) Ở nhiệt độ vừa phải, thực thí nghiệm, phụ thuộc k'(T) phải tuân theo hàm số mũ ( Hình ) (iii) Ở nhiệt độ cao, số tốc độ tăng chậm phải hội tụ đến giới hạn tổng số hạt bị giới hạn thời gian va chạm lớn khơng Q trình kết đồ thị toàn phạm vi nhiệt độ minh họa Hình 10 Để mơ hình hóa đường đồ thị hiển thị cách toán học, diện tích (ii) hàm số mũ tổng quát có dạng: (số 8) giả định, khu vực (iii) chức năng: (9) mô tả tiến triển đồ thị tốt Thành phần hai hàm mang lại hàm tổng hợp kết quả: (10) Trong khóa học thực hành dành cho sinh viên, tùy chọn khả thi để trực quan hóa hình dạng đồ thị sử dụng máy tính vẽ đồ thị GeoGebra 23 Với cơng cụ phần mềm miễn phí này, quan sát cách tương tác khớp hoàn hảo khóa học biểu đồ dự đốn ( Hình 10 ) tính tốn cách điều chỉnh giá trị biến trượt Như thấy Hình 11 , kết khớp hồn hảo đạt với số mũ âm với hàm kết (11) • • Hình 11 Biểu đồ mẫu hàm tốn học cần thiết phạm vi dương (có ý nghĩa vật lý) nhiệt độ tuyệt đối vẽ GeoGebra Ý nghĩa vật lý số mũ âm đáng để thảo luận sinh viên khơng có tảng nhiệt động lực học Tuy nhiên, để diễn giải vật lý tham số A (hệ số tần số), rõ ràng với T →∞ tham số A hội tụ đến số tốc độ phản ứng cực đại k' ∞ Điều có nghĩa T →∞ tất hạt chất phản ứng có lượng tối thiểu cần thiết tất va chạm thành công Đối với nhiệt độ thấp hơn, thuật ngữ hàm mũ sau định tỷ lệ hạt giàu lượng lý phải bao gồm lượng kích hoạt tham số B Với lượng tối thiểu giảm, số lượng hạt phản ứng tăng lên phân bố Maxwell-Boltzmann, đó, giá trị số tốc độ phản ứng tăng lên Về mặt toán học, điều dẫn đến kết luận lượng kích hoạt E A phải phần tử số số hạng hàm mũ phương trình 11 Ở bước cuối cùng, cần thêm thừa số tỷ lệ mẫu số để đảm bảo số mũ đầy đủ biểu thức 11 vật lý không thứ nguyên Do đó, cần phải có hệ số tỷ lệ với đơn vị J/mol∙ K, tương ứng xác với số khí phổ dẫn đến hệ số đến phương trình Arrhenius hồn chỉnh (Phương trình 2) Mặc dù cách tiếp cận mơ hình tốn học tất nhiên khơng tương đương với chứng hóa lý, cách phù hợp để rút phương trình Arrhenius từ liệu thực nghiệm khóa học phịng thí nghiệm Tóm tắt Kết luận Trong phần đóng góp này, thí nghiệm động học phát triển để giúp người học tiếp cận tượng học với phụ thuộc nhiệt độ tốc độ phản ứng phản ứng hóa học Một cách tiếp cận suy diễn nguyên tắc động học thường sử dụng giảng, người học quen thuộc với điều nhiệt động lực học hóa học Xét khía cạnh giáo dục kiến tạo định hướng thực nghiệm, cách tiếp cận quy nạp hứa hẹn Mối tương quan đơn giản ban đầu nhiệt độ tốc độ phản ứng thể quy tắc van't Hoff Quy tắc rút theo quy nạp từ phản ứng oxy hóa xúc tác axit tartaric nhiệt độ khác phản ứng Briggs-Rauscher dao động phức tạp Người học theo dõi tiến trình hai phản ứng cách trực quan thay đổi màu sắc đặc trưng chúng Việc sử dụng máy ảnh chụp ảnh nhiệt hồng ngoại củng cố thành phần trực quan thí nghiệm Các kết nghiên cứu động học hóa học tóm tắt phương trình Arrhenius Một cách tiếp cận suy diễn thiết lập cho phương trình phản ứng đổi màu tinh thể tím với natri hydroxit nhiệt độ khác Do đó, tham số động học quan trọng lượng kích hoạt xác định cách kết hợp phương trình Arrhenius với định luật Lambert-BeerBouguer Một thiết lập với quang kế ngâm chi phí thấp kết hợp với vi điều khiển Arduino làm cho thí nghiệm đổi màu truy cập cho khóa học thực tế với ngân sách thấp Do đó, q trình oxy hóa FCF tạo màu thực phẩm có màu xanh lam rực rỡ kết nối nghiên cứu động học với sống hàng ngày người học Cách quy nạp để rút phương trình Arrhenius từ liệu thực nghiệm chủ yếu dựa quy trình mơ hình hóa tốn học Tất nhiên, dẫn xuất tuân theo cách tiếp cận tượng học túy Cần lưu ý khơng tn theo lý đáng hóa lý nghiêm ngặt Tuy nhiên, phương pháp giúp cải thiện hiểu biết tham số động học trừu tượng hệ số tần số diễn giải vật lý chúng  ... đóng góp này, thí nghiệm động học phát triển để giúp người học tiếp cận tượng học với phụ thuộc nhiệt độ tốc độ phản ứng phản ứng hóa học Một cách tiếp cận suy diễn nguyên tắc động học thường sử... thị số tốc độ phản ứng theo nhiệt độ tuyệt đối T cho trình phân hủy đá cẩm thạch • • Hình 10 Sự phụ thuộc nhiệt độ số tốc độ phản ứng Ngược lại, cách quy nạp để rút cơng thức tốn học cho phương... việc ghi lại tông nhiệt phản ứng hóa học để suy phụ thuộc vào nhiệt độ tốc độ phản ứng nghịch lý Tuy nhiên, phản ứng tỏa nhiệt mạnh, tốc độ phản ứng tương đối xác định cách đo thời gian trôi qua