Bài 3 Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học A/ Câu hỏi đầu bài Mở đầu trang 22 Chuyên đề Hóa 10 Trong Hình 3 1, muốn lăn “hòn bi hóa học” sang phải theo chiều mũi tên màu xanh, hòn bi phải đi qua “[.]
Bài 3: Năng lượng hoạt hóa phản ứng hóa học A/ Câu hỏi đầu Mở đầu trang 22 Chun đề Hóa 10: Trong Hình 3.1, muốn lăn “hịn bi hóa học” sang phải theo chiều mũi tên màu xanh, bi phải qua “hàng rào lượng” có chiều cao Ea Những phát biểu sau đúng? A Hàng rào Ea cao hịn bi dễ lăn qua B Hàng rào Ea thấp hịn bi dễ lăn qua C Cần phải cung cấp lượng cho hịn bi q trình lăn sang xảy D Hịn bi tự lăn sang phải mà không cần cung cấp thêm lượng Trả lời: Phát biểu B C Để “hịn bi hóa học” lăn sang phải, cần cung cấp lượng tối thiểu chiều cao hàng rào lượng Ea để đẩy “hịn bi hóa học” lên tới đỉnh hàng rào ⇒ Cần phải cung cấp lượng cho hịn bi q trình lăn sang xảy Ngoài ra, hàng rào Ea thấp hịn bi dễ lăn qua B/ Câu hỏi Năng lượng hoạt hóa Vận dụng trang 23 Chuyên đề Hóa 10: Các phản ứng tạo gỉ kim loại xảy điều kiện nhiệt độ phịng mà khơng cần đun nóng Hãy dự đốn lượng hoạt hóa phản ứng thấp hay cao Trả lời: Năng lượng hoạt hóa lượng tối thiểu mà chất tham gia cần phải có để phản ứng xảy Các phản ứng tạo gỉ kim loại xảy điều kiện nhiệt độ phịng mà khơng cần đun nóng ⇒ Năng lượng hoạt hóa phản ứng tạo gỉ kim loại thấp Đinh sắt bị gỉ Câu hỏi trang 23 Chun đề Hóa 10: Hình 3.3 biểu diễn phản ứng có lượng hoạt hóa khác a) Trường hợp ứng với lượng hoạt hóa phản ứng xảy với tốc độ lớn hơn? b) Biến thiên enthalpy phản ứng (∆rH) trường hợp âm, nghĩa thuận lợi (về enthalpy) cho phản ứng diễn Nếu ∆rH âm phản ứng lại có Ea lớn phản ứng dàng xảy khơng? Giải thích Trả lời: a) Với phản ứng, Ea nhỏ tốc độ phản ứng cao nhiều nguyên tử phân tử đạt tới lượng này, tức có nhiều va chạm hiệu xảy ⇒ Trường hợp ứng với lượng hoạt hóa Ea (2) phản ứng xảy với tốc độ lớn b) Nếu ∆rH âm phản ứng lại có Ea lớn phản ứng khơng dễ dàng xảy Vì cần phải cung cấp lượng lớn để phân tử có động đủ lớn “phá vỡ hàng rào lượng” Ảnh hưởng lượng hoạt hóa nhiệt độ tới tốc độ phản ứng qua phương trình Arrhenius Câu hỏi trang 24 Chuyên đề Hóa 10: Phát biểu định luật tác dụng khối lượng tốc độ phản ứng hóa học Trả lời: Định luật tác dụng khối lượng tốc độ phản ứng hóa học: “Tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với tích nồng độ chất tham gia phản ứng với số mũ thích hợp” Giả sử phản ứng đơn giản: mM + nN → sản phẩm, có biểu thức tốc độ phản ứng: v kCmM CnN Luyện tập trang 24 Chuyên đề Hóa 10: Nếu ví dụ 1, Ea (1) = 100 kJ mol-1 Ea (2) = 150 kJ mol-1 tốc độ phản ứng thay đổi nào? Trả lời: Áp dụng phương trình Arrhenius ta có: k1 Ae k Ae E a (1) RT Ea (2) RT (3) (4) Chia vế hai phương trình (4) cho (3), thu được: Ea (1) Ea (2) k2 e RT (5) k1 Thay số vào (5) ta được: k2 e k1 (100 150).103 8,314.298 = 1,72.10-9 ⇔ k1 5,81.108 k2 Như trường hợp này, lượng hoạt hóa tăng 50 kJ mol-1 tốc độ phản ứng giảm khoảng 581 triệu lần Luyện tập trang 25 Chun đề Hóa 10: Nếu ví dụ 2, Ea = 50 kJ mol-1 tốc độ phản ứng thay đổi nào? Trả lời: E a T T ( ) k Thay Ea = 50 kJ mol ; T1 = 298; T2 = 308 vào phương trình (7) e R T2 T1 ta k1 -1 có: 50.103 308 298 ( ) k2 e 8,314 308.298 ≈ 1,93 k1 Vậy trường hợp Ea = 50 kJ mol-1 tốc độ phản ứng tăng khoảng 1,93 lần Vận dụng trang 25 Chuyên đề Hóa 10: Hãy liên hệ kết ví dụ với hệ số Van’t Hoff thay đổi tốc độ phản ứng theo nhiệt độ Trả lời: Theo Van’t Hoff với đa số phản ứng, nhiệt độ tăng 10oC tốc độ phản ứng tăng từ – lần Hệ số nhiệt độ Van’t Hoff γ = – Kết ví dụ phù hợp với hệ số Van’t Hoff thay đổi tốc độ phản ứng theo nhiệt độ Vai trò chất xúc tác Câu hỏi trang 25 Chuyên đề Hóa 10: Một phản ứng diễn nhiệt độ không đổi, thêm chất xúc tác, tốc độ phản ứng tăng lên lượng hoạt hóa bị thay đổi Vậy chất xúc tác làm tăng hay giảm lượng hoạt hóa phản ứng? Trả lời: Đối với phản ứng, lượng hoạt hóa Ea nhỏ tốc độ phản ứng cao Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng ⇒ Chất xúc tác làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng Chú ý: Thực tế nghiên cứu chất xúc tác làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng Vận dụng trang 26 Chun đề Hóa 10: Vì lĩnh vực sản xuất hóa chất, người ta thường sử dụng chất xúc tác? Kể tên số trình sản xuất hóa chất chất xúc tác sử dụng mà em biết Trả lời: - Chất xúc tác có vai trị làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng từ làm tăng tốc độ phản ứng hóa học - Trong lĩnh vực sản xuất hóa chất, người ta thường sử dụng chất xúc tác số mục đích sau: + Sử dụng chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng hóa học, làm cho trình sản xuất đạt hiệu suất cao Ví dụ: Trong nhà máy sản xuất phân đạm người ta thường dùng sắt làm chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng nitrogen (N2) hydrogen (H2), giúp đạt hiệu cao trình sản xuất Fe N2 + 3H2 2NH3 450500 C o + Sử dụng chất xúc tác để sản xuất sản phẩm theo hướng mong đợi Ví dụ: Platinium (Pt) dùng làm chất xúc tác cho trình oxi hóa ammonia (NH3) thành sản phẩm mong muốn nitrogen oxide (NO) để sản xuất nitric acid (HNO3) Pt 4NH3 + 5O2 4NO + 6H2O 800 C o Nếu khơng có xúc Pt phản ứng tạo N2 4NH3 + 5O2 t 2N2 + 6H2O Bài tập: Bài tập trang 27 Chuyên đề Hóa 10: Cho phản ứng: 2NO2(g) → 2NO(g) + O2(g) So sánh tốc độ phân hủy NO2 nhiệt độ 25oC (nhiệt độ thường) 800oC (nhiệt độ ống xả khí thải động đốt trong) Biết Ea = 114 kJ mol-1 Trả lời: Theo phương trình Arrhenius ta có: k1 Ae Ea RT1 k Ae Ea RT2 (1) (2) Trong đó: T1 = 25 + 273 = 298K T2 = 800 + 273 = 1073K Chia vế hai phương trình (2) cho (1) ta E T T a ( ) k2 R T2 T1 =e e k1 114.103 1073 298 ( ) 8,314 1073.298 = 2,7.1014 Vậy tốc độ phân hủy NO2 800oC (nhiệt độ ống xả khí thải động đốt trong) gấp khoảng 2,7.1014 lần tốc độ phân hủy NO2 25oC (nhiệt độ thường) Bài tập trang 27 Chuyên đề Hóa 10: Cho phản ứng: 2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g) Biết Ea = 314 kJ mol-1 a) Hãy so sánh tốc độ phản ứng 25oC 450oC b) Nếu sử dụng xúc tác hỗn hợp V2O5 TiO2 lượng hoạt hóa phản ứng giảm xuống 84 kJ mol-1 Hãy so sánh tốc độ phản ứng có khơng có chất xúc tác nhiệt độ 450oC Trả lời: a) Theo phương trình Arrhenius ta có: k1 Ae Ea RT1 k Ae (1) Ea RT2 (2) Trong đó: T1 = 25 + 273 = 298K T2 = 450 + 273 = 723K Chia vế hai phương trình (2) cho (1) ta E T T a ( ) k2 R T2 T1 =e e k1 314.103 723 298 ( ) 8,314 723.298 = 2,26.1032 Vậy nhiệt độ tăng từ 25oC đến 450oC tốc độ phản ứng tăng 2,26.1032 lần b) Áp dụng phương trình Arrhenius ta có: k1 Ae k Ae E a (1) RT Ea (2) RT (3) (4) Trong đó: T = 450 + 273 = 723K Chia vế hai phương trình (4) cho (3), thu được: Ea (1) Ea (2) k2 e RT (5) k1 k Thay số vào (5) ta được: e k1 (31484).103 8,314.723 = 4,14.1016 Vậy thêm chất xúc tác tốc độ phản ứng tăng 4,14.1016 lần (dù nhiệt độ giữ nguyên 450oC) Bài tập trang 27 Chuyên đề Hóa 10: Thực hai thí nghiệm hịa tan đá vơi vào dung dịch HCl 1M nhiệt độ Thí nghiệm 1: Cho 0,5 gam đá vôi dạng bột vào 10 mL HCl M Thí nghiệm 2: Cho 0,5 gam đá vôi dạng viên vào 10 mL HCl M a) Tốc độ phản ứng thí nghiệm nhanh hơn? Giải thích b) Năng lượng hoạt hóa hai phản ứng hai khác nhau? Trả lời: a) Tốc độ phản ứng thí nghiệm nhanh Vì sử dụng đá vơi dạng bột diện tích bề mặt tiếp xúc đá vơi với phân tử HCl lớn dẫn đến tốc độ phản ứng nhanh b) Năng lượng hoạt hóa hai phản ứng diện tích bề mặt khơng ảnh hưởng đến lượng hoạt hóa Bài tập trang 27 Chuyên đề Hóa 10: Cho phản ứng: C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g) Năng lượng hoạt hóa phản ứng có xúc tác Pd 35 kJ mol-1 Hãy so sánh thay đổi tốc độ phản ứng có xúc tác Pd nhiệt độ 300 K 475 K Trả lời: Theo phương trình Arrhenius ta có: k1 Ae Ea RT1 k Ae Ea RT2 (1) (2) Trong đó: T1 = 300 + 273 = 573K T2 = 475 + 273 = 748K Chia vế hai phương trình (2) cho (1) ta E T T 35.103 748573 a ( ) ( ) k2 R T2 T1 = e 8,314 748.573 = 5,58 e k1 Vậy có xúc tác Pd tốc độ phản ứng tăng 5,58 lần nhiệt độ thay đổi từ 300 K lên 475 K Bài tập trang 27 Chuyên đề Hóa 10: Giả sử hai phản ứng hóa học khác có Ea, diễn nhiệt độ Vậy số tốc độ k có ln khơng? Trả lời: Theo phương trình Arrhenius ta có: Ea k Ae RT (1) Trong A số cho phản ứng xác định Hai phản ứng có Ea, diễn nhiệt độ nhiên số A hai phản ứng khác ⇒ Tốc độ k khác ... Năng lượng hoạt hóa hai phản ứng diện tích bề mặt khơng ảnh hưởng đến lượng hoạt hóa Bài tập trang 27 Chuyên đề Hóa 10: Cho phản ứng: C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g) Năng lượng hoạt hóa phản ứng có... Ảnh hưởng lượng hoạt hóa nhiệt độ tới tốc độ phản ứng qua phương trình Arrhenius Câu hỏi trang 24 Chuyên đề Hóa 10: Phát biểu định luật tác dụng khối lượng tốc độ phản ứng hóa học Trả lời: Định... 4,14 .101 6 lần (dù nhiệt độ giữ nguyên 450oC) Bài tập trang 27 Chuyên đề Hóa 10: Thực hai thí nghiệm hịa tan đá vôi vào dung dịch HCl 1M nhiệt độ Thí nghiệm 1: Cho 0,5 gam đá vơi dạng bột vào 10