tiểu luận môn hoá đại cương vô cơ đề tài đại cương về động hoá học

Là một sinh viên sư phạm với vốn hiểu biết còn hạn chế và cần rèn luyện nhiều hơn rồi chọn đề tài “động hoá học các phản ứng đơn giản và hệ thống bài tập củng cố, phát triển kiến thức” đ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC Y KHOA VINH ***

TIỂU LUẬN

Môn: HOÁ ĐẠI CƯƠNG – VÔ CƠĐề tài: Đại cương về Động hoá học

Họ và tên: Phan Thị Thanh HuyềnLớp: D4A

Khoá: 2021 – 2026

Giảng viên hướng dẫn: TS.Lê Thị Mai Hoa

Vinh, ngày 02 tháng 12 năm 2021

MỤC LỤC

I MỞ ĐẦU 4

1 Lời giới thiệu 4

2 Đối tượng nghiên cứu 5

3 Nhiệm vụ nghiên cứu 5

4 Mục tiêu 5

5 Mục đích 5

6 Phương pháp nghiên cứu 5

7 Cơ sở lý luận của đề tài 6

II NỘI DUNG 6

2 ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG 8

2.1 Định luật tác dụng khối lượng 8

2.2 Bậc pha phân tử số của phản ứng 9

4.4 Ảnh hưởng của xúc tác đến tốc độ phản ứng 14

5 CÂN BẰNG HOÁ HỌC 17

5.1 Phản ứng thuận nghịch, hằng số cân bằng 17

5.2 Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Lơ Satolie 17

6 CÂU HỎI TỰ LƯỢNG GIÁ 18

6.1 Tốc độ trung binhg và tốc độ tức thời của một phản ứng được tính như thế nào? 18

6.2 Phân biệt bậc của phản ứng và phân tử số của phản ứng? 18

6.3 Phản ứng đơn giản, phản ứng phức tạp là như thế nào? 19

6.4 Phản ứng 2NO + O2→ 2NO2 là một phản ứng đơn giản Tốc độ phản ứng sẽ thay đổi như thế nào: 19

6.5 Cho phản ứng H2 + I2→ 2HI viết biểu thức tốc độ phản ứng Biết rằng 20

6.6 Một phản ứng tiến hành với vận tốc v ở 20oC Phải tăng nhiệt độ lên đến bao nhiêu để vận tốc phản ứng tăng lên 1024 lần Cho biết hệsố nhiệt độ của phản ứng bằng 2 20

6.7 Một phản ứng có hệ số nhiệt độ băng 2 Ở 0oC phản ứng kết thúc sau 1024 ngày Hỏi ở 30oC phản ứng kết thúc ở thời gian bao lâu? .206.8 Tính hệ số nhiệt độ γ trong trường hợp ở 393oK phản ứng kết thúc trong 18 phút? 20

III KẾT LUẬN 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21LỜI CẢM ƠN

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường Đại học đến nay, em nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc em xin gửi đến cô TS.Lê Thị Mai Hoa – Trường đại học Y Khoa Vinh với tri thức và tâm huyết của mình đã tận tình dạy dỗ và truyền đạt những kiến

thức quý báu Tham gia lớp học em đã tiếp cận với nhiều kiến thức bổ ích và rất cần thiết trong quá trình học tập, thời gian làm việc sau này.

Em đã cố gắng vận dụng những kiến thức đã học được trong kỳ qua để hoàn thành bài tiểu luận Nhưng do kiến thức hạn chế và không có nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên khó tránh những sai sót trong quá trình nghiên cứu và trình bày Rất mong cô góp ý để bài tiểu luận của em được hoàn thiện hơn.

Một lần nữa em xin trân trọng cảm ơn sự quan tâm giúp đỡ của cô để giúp em hoàn thiện bài tiểu luận, chúc cô thành công hơn nữa trên sự nghiệp “trồng người” Trân trọng!

I MỞ ĐẦU1 Lời giới thiệu

Động hoá học là một ngành khoa học nghiên cứu quy luật xảy ra của quá trình hoá học theo thời gian Đối tượng của động học hoá học là nghiên cứu về tốc độ của phản ứng hoá học, về những yếu tố có ảnh hưởng đến tốc độ (nồng độ, nhiệt độ, chất xúc tác… ) đồng thời qua đó nghiên cứu về cơ cấu của phản ứng hoá học Trong đó, động hoá học các phản ứng đơn giản chủ yếu nghiên cứu các quy luật động học đơn giản Mặc dù như vậy, đây là nội dung tương đối khó, mới lạ, trừu tượng đối với học sinh sinh viên chưa từng tiếp xúc với nội dung này ở trường trung học phổ thông.

Để có thể nắm vững kiến thức và vận dụng kiến thức một cách linh hoạt, chính xác người dạy phải cung cấp cho học sinh những kiến thức cũng như những phương pháp giải bài tập thích hợp với mức độ yêu cầu của học sinh Là một sinh viên sư phạm với vốn hiểu biết còn hạn chế và cần rèn luyện nhiều hơn rồi chọn đề tài “động hoá học các phản ứng đơn giản và hệ thống bài tập củng cố, phát triển kiến thức” để cung cấp và làm rõ một phần nội dung của động hoá học, hướng dẫn giải bài tập giúp học sinh sinh viên vững kiến thức và áp dụng vào bài tập đưa ra

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đó nên tốc độ phản ứng, người ta mới hiểu rõ đầy đủ bản chất của các biến hoá xảy ra trong một phản ứng hoá học, xác lập được cơ chế phản ứng, cho phép chúng ta lựa chọn các yếu tố thích

hợp tác động lên phản ứng, tinh chế độ làm việc tối ưu của lò phản ứng là phản ứng có tốc độ lớn, hiệu suất cao

Người ta phân biệt được động hoá học hình thức và động hoá học lý thuyết Động hoá học hình thức chủ yếu thiết lập trên cơ sở lượng tử vật lý thống kê thuyết động học chất khí tính được giá trị tuyệt đối của hằng số tốc độ phản ứng.

2 Đối tượng nghiên cứu

Nội dung kiến thức và bài tập nội dung động lực học các phản ứng đơn giản

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết về động lực học các phản ứng đơn giản

- Thống kê, phân loại các bài tập trong tài liệu, giáo trình và hướng dẫn giải

c Vận dụng nguyên lý Le Chatelier để dự đoán chiều chuyển dịch của một cân bằng khi có tác động của một số yếu tố

5 Mục đích

Hệ thống nội dung kiến thức động lực học các phản ứng đơn giản xây dựng hệ thống bài tập đảm bảo tính logic, khoa học phù hợp với tư duy người khác

6 Phương pháp nghiên cứu

a Nghiên cứu và phân tích các tải liệu giáo trình có liên quan b Phương pháp tổng hợp thu thập tài liệu

c Phương pháp giải toán hoá học

7 Cơ sở lý luận của đề tài

a Tư duy hoá học

Trong thế kỉ XXI, nhiều thay đổi trong giáo dục trên thế giới đã ảnh hưởng đến nền giáo dục Việt Nam

I.N.Tônxtoi đã viết: “kiến thức chỉ thực sự là kiến thức khi nào nó là thành quả những cố gắng của tư duy chứ không phải của trí nhớ”

Qua quá trình dạy học hoá học, học sinh có thể được trang bị và rèn luyện nhiều loại tư duy trong đó có tư duy logic.

Tư duy logic là một trong những kỹ năng không thể thiếu trong lĩnh vực các môn khoa học tự nhiên Đối với môn hoá học vừa rèn luyện tư duy cho học sinh còn là nhiệm vụ quan trọng

II NỘI DUNG1.Một số khái niệm

1.1 Khái niệm về dộng hoá học

Động học hoá học là một bộ phận của hoá lý Đông học hoá học có thể gọi tắt là động hoá học Động hoá học là khoa học nghiên cứu về tốc độ phản ứng hoá học Tốc độ phản ứng hoá học bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Các yếu tố đó là nồng độ, nhiệt độ, áp suất, dung môi, chất xúc tác, hiệu ứng thế, hiệu ứng đồng vị

Động hoá học bao gồm các nghiên cứu về điều kiện thí nghiệm ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hoá học và cung cấp thông tin về cơ chế và trạng thái chuyển tiếp của phản ứng

1.2 Tốc độ phản ứng:

Tốc độ phản ứng hoá học là đại lượng đặc trưng cho độ nhanh chậm của sự xảy ra phản ứng Tốc độ phản ứng thường được đo bằng độ biến thiên nồng độ của một trong các chất tham gia hoặc tạo thành trong một đơn vị thời gian:

v = ±C2−C1

t2−t1 = ∆ C∆ t

Trong đó: v là tốc độ trung bình trong khoảng thời gian t1 đến t2

∆ Clà sự biến thiên nồng độ mol/l của khảo sát C1 đén C2

Dấu cộng ứng với sự xác định v theo sự biên thiên nồng độ của các chất tạo thành, còn dấu trừ ứng với chất tham gia

Phản ứng đơn giản là phản ứng chỉ diễn ra qua một giai đoạn (một tương tác), còn gọi là phản ứng cơ sở.

Còn lại là phản ứng sơ cấp là phản ứng một chiều chỉ xảy ra trong một giai đoạn, nghĩa là phản ứng đi trực tiếp từ tác chất tạo sản phẩm mà không tạo ra chất trung gian

Ví dụ: H2 + I2→ 2HI

1.4 Phản ứng phức tạp:

Phản ứng phức tạp là phản ứng chỉ diễn ra qua nhiều giai đoạn (gồm nhiều phản ứng cơ sở), là những phản ứng thường có hệ số rất lớn vì xác suất để nhiều phân tử đông thời va chạm vào nhau là rất nhỏ.

Ví dụ: Phản ứng 2NO + 2H2→N2 + 2H2O

Phản ứng này xảy ra qua 3 giai đoạn sau, thể hiện cơ chế phản ứng Giai đoạn 1: Nhanh NO + H2→NOH2

Giai đoạn 2: Chậm NOH2 + NO →N2 + H2O2

1.5 Phản ứng đồng thể

Phản ứng đồng thể chỉ xảy ra trong pha khí hoặc pha lỏng mà không xảy ra trong pha rắn vì một chất rắn đồng thể tham gia phản ứng hoá học thì

Phản ứng dị thể là phản ứng chỉ xảy ra trên bề mặt phân chia hai pha, không xảy ra trong thể tích của một pha nào

Ví dụ: Phản ứng oxyd hoá khí SO2 bởi khí O2 tạo ra khí SO3 trên bề mặt chất xúc tác rắn Pt là một phản ứng dị thể

Ví dụ: Fe + 2HCl → FeCl2 + H2

2 ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG2.1 Định luật tác dụng khối lượng

Vào năm 1864 – 1867 Guinbec và Oago, (Wwaager – Na Uy) đã đưa ra nội dung định luật “ở một nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với tích số nồng độ các chất tham gia phản ứng với những luỹ thừa xác định” Ví dụ: Phản ứng aA + bB → cC Theo định luật ta có phương trình tốc độ

v = k [A]m [B]n

Trong đó k là hằng số tốc độ hay hệ số tỷ lệ

-Nghiên cứu thực nghiệmc cho biết, chỉ một số ít phản ứng tuân theo quy luật này Định luật này chỉ đúng cho các phản ứng đơn giản

- Nếu là phản ứng đơn giản thì m, n trùng với hệ số a, b trong phương trinh Ví dụ: H2 + I2→ 2HI tạo thành v = k [H2]1[I2]1→ m=1, n=1

- Nếu là phản ứng phức tạp thì m, n khác hệ số a, b trong phương trình Ví dụ: Giai đoạn 2 là giai đoạn chậm nhất của cả quá trình, nên phương trình tốc độ được viết cho cả quá trình

- Nếu [A] = [B] = 1 thì v = k, ta gọi k là tốc độ riêng của phản ứng.

2.2 Bậc pha phân tử số của phản ứng

- Bậc phản ứng: là tổng số mũ n + m của nồng độ các chất tham gia

- Ngoài ra người ta còn gặp phản ứng bậc 0, có khi là không xác định, có khi là một số nguyên hoặc thập phân

- Phản ứng hoá học mà chúng ta thương viết nói chung là phản ứng tổng cộng của nhiều giai đoạn trung gian Mỗi giai đoạn trung gian được gọi là một giai đoạn sơ cấp.

Tốc độ của giai đoạn sơ cấp nào xảy ra chậm nhất sẽ quyết định vận tốc, bậc, phân tử số của quá trình phản ứng.

Ví dụ: H2O2 + 2HI → 2H2O + I2 (a)

Phản ứng này xảy ra theo hai giai đoạn sơ cấp sau

H2O2 + 2HI → HIO + H2O (b) xảy ra chậm HIO + HI → H2O + I2 (c) xảy ra nhanh Từ đó tốc độ của phản ứng (a) là v = k [H2O2] [HI]

Trong trường hợp các giá trị m và n trùng với các hệ số của H2O2và HI trong phản ứng (b), là giai đoạn quyết định về của cả quá trình Bậc của phản ứng (a) là 2

Bằng thực nghiệm người ta xác định được phương trình động học của phản ứng, từ đó đề xuất các giai đoạn sơ cấp của phản ứng, nghĩa ra đề xuất cơ chế của phản ứng

- Phân tử số của phản ứng: Số phân tư tham gia vào một giai đoạn cơ bản được gọi là phân tử số của phản ứng đó.

Ví dụ: Phản ứng (b) và (c) ở trên đều có phân tử số bằng 2 Phân tử số của giai đoạn (b) chậm nhất xác định bậc và phân tử số chung cho phản ứng (a).

Phản ứng có số phân tử số bằng 1 được gọi là phản ứng một phân tử Phản ứng đơn phân tử A đến B thường là phản ứng phân li, đồng phân hoá Ví dụ: Phản ứng 1

Phản ứng có phân tử số bằng 2 là ở giai đoạn cơ bản có hai phân tử tham gia phản ứng Dạng tổng quát là A + B = C hay 2A = B

Phản ứng có phân tử số từ 3 trở lên rất hiếm gặp, vì xác suất để đồng thời 3 hay 4 phân tử phản ứng với nhau là rất nhỏ Dạng tổng quát là A + B +

Suy ra ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng tỷ lệ với tích nồng độ có số mũ tương ứng.

Nếu CA= CB = 1 thì k = v Vậy hằng số tốc độ phản ứng k là tốc độ phản ứng khi nồng độ của các chất tham gia phản ứng được lấy bằng nhau và bằng đơn vị Do đó hằng số tốc độ phản ứng k còn gọi là tốc độ riêng của phản ứng.

3.3 Các quy luật động học đơn giản

Như vậy, trong một phản ứng bậc nhất, thời gian bán phản ứng tỷ lệ nghịch với hằng số vận tốc k và không phụ thuộc vào nồng độ các chất ban đầu

c Đơn vị hằng số tốc độ phản ứng

Khi phản ứng là bậc 1 đối với A áp dụng đinh luật tác dụng khối lượng cho phản ứng bậc 1 và định nghĩa của tốc độ phản ứng ta thu được phương trình động học của phản ứng bậc 1

k = 1t ln c

Như vậy trong phản ứng bậc 1 nồng độ các chất phản ứng giảm theo thời fian dưới dạng hàm số mũ đơn vị 1/thời gian

Lưu ý: quá trình phân rã phóng xạ cũng xảy ra theo quy luật động học

no là số hạt nhân ban đầu của đồng vị phóng xạ tại thời điểm t = 0 n là số hạt nhân của đồng vị phóng xạ ban đầu con lại ở thời điểm t 3.3.2 phản ứng bậc 2

Các phản ứng thường gặp;

CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C3H5OH 2HI →H2 + I2

Đơn vị hằng số tốc độ phản ứng từ các biểu thức ta thấy hằng số tốc độ phản ứng một chiều bậc 2 có thứ nguyên là 1/nồng độ 1/thời gian

Như vậy thời gian nửa phản ứng của phản ứng bậc 2 tỷ lệ nghịch với

Từ biểu thức ta thấy hằng số tốc độ phản ứng một chiều bậc 3 có thứ nguyên là (nồng độ)-2 (thời gian)-1

Như vậy thời gian nửa phản ứng của phản ứng bậc 3 tỷ lệ nghịch với bình phương nồng độ đầu của chất phản ứng

4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

Đa số tốc độ của phản ứng hoá học tăng khi nhiệt độ tăng

4.1 Quy tắc Van Hốp

“Khi nhiệt độ của phản ứng tăng lên 10o thì hằng số tốc độ của phản ứng (cũng là tốc độ của phản ứng) tăng lên 2 đến 4 lần”

Quy tắc chỉ đúng trong khoảng nhiệt đột thay đổi không cao

Nếu gọi n.10 là nhiệt độ cần tăng lên, thì ta có công thức tổng quát:

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ của phản ứng được biểu diễn một cách chính xác hơn, áp dụng được trong một khoảng nhiệt độ rộng hơn qua biểu thức

k = A.e−RTE hay lnk = - RTE + lnA ↔ lnk = - RTE + B Trong đó: R là hằng số lý tưởng

A, B là hằng số

E là năng lượng hoạt hoá của phản ứng

Nhận xét: Từ biểu thức trên ta thấy: Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng -Phản ứng có E càng lớn thì tốc độ phản ứng diễn ra càng chậm

4.3 Thuyết va chạm hoạt động và năng lượng hoạt hoá

- Thuyết va chạm:

Để các nguyên tử hay phân tử có thể phản ứng được với nhua, chúng phải va chạm vào nhau Do đó, tốc độ phản ứng sẽ tăng khi tần số va chạm tăng tuy nhiên, thuyết va chạm không giải thích được sự khác biệt rất lớn giữa kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm

Đối với phản ứng: 2HI → H2 + I2

-Lý thuyết: Khi [HI] = 1mol/l thì số va chạm được tính là 6.1031 va chạm/s.cm3 - Thực nghiệm: Số va chạm dẫn đến phản ứng chỉ là 2.1014

Có nghĩa là, cứ 3.1017 va chạm mới có được một va chạm có hiệu quả Thuyết va chạm hoạt động và năng lượng hoạt hoá:

Thuyết này cho rằng, không phải mọi va chạm mà chỉ những va chạm của các nguyên tử hay phân tử hoạt động mới dẫn đến phản ứng Các phân tử, nguyên tử hoạt động là các nguyên tử, phân tử có một năng lượng dư đủ lớn so với năng lượng trung bình của chúng

Năng lượng tối thiểu mà 1 mol chất phản ứng cần phải có để chuyển các phân tử của chúng từ trạng thái không hoạt động thành trạng thái hoạt động, gọi là năng lượng hoạt hoá của phản ứng

Ví dụ: Phản ứng A + B →C xúc tác k thì A + B → A* + B* → AB* → C + k

Các phân tử A, B được hoạt hoá thành A* và B*, sau đó tạo thành hợp chất trung gian cuối cùng cho ta sản phẩm C và hoàn lại xúc tác k ban đầu.

Để có thể phản ứng được với nhau, các phân tử A, B phải vượt qua một hàng rào năng lượng Đó chính là năng lượng hoạt hoá E của phản ứng Nếu

Ví dụ: 2SO2 + O2→2SO3, chất xúc tác và chất phản ứng đồng pha khí.

Vì đồng pha nên các phân tử dễ trộn lẫn, tiếp xúc với nhau nên vận tốc phản ứng phụ thuộc nồng độ chất xúc tác.

- Xúc tác dị thể: Chất xúc tác và chất phản ứng không cùng một pha đồng nhất

Ví dụ: N2 + 3H2 → 2NH3, xúc tác bột sắt

Phản ứng diễn ra trên bề mặt của chất xúc tác, vận tốc phản ứng tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt tiếp xúc.

- Xúc tác men: Là các xúc tác sinh học, có bản chất là protein Chất phản ứng được gọi là cơ chất Phản ứng được thực hiện ở trung tâm xúc tác Vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nồng độ enzim.

Ví dụ: Quá trình lên men rượu C6H12O6

-Xúc tác âm: Làm giảm vận tốc của phản ứng: 2Na2SO3 + O2→2Na2SO4

-Xúc tác dương: Tăng vận tốc của phản ứng

2KClO3 → 2KCl + 3O2 cho một ít bột MnO2 thì phản ứng xảy ra rất nhanh

4.4.2 Cơ chế và vai trò của xúc tác

- Phản ứng có xúc tác thường diễn ra qua nhiều giai đoạn trung gian, tạo ra nhiều sản phẩm trung gian, thể hiện cơ chế xúc tác

A + B → C + D A + k →[Ak]*

[Ak]* + B →[ABk]*

[ABk]* → C + D + k

- Vai trò của chất xúc tác: Sự có mặt của chất xúc tác làm cho phản ứng diễn ra qua một số giai đoạn trung gian, có năng lượng hoạt hoá thấp hơn sơ với phản ứng không có xúc tác Từ đó làm tăng vận tốc phản ứng