skkn cấp tỉnh tốc độ và động học của phản ứng

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THANH HOÁ

TRƯỜNG THPT CHUYÊN LAM SƠN

SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

MỤC LỤC

Trang A Mở đầu 1

1 Lí do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Những điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm 3

B Nội dung của sáng kiến kinh nghiệm 3

I Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm 3

II Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm 3

III Nội dung sáng kiến 4

Chương 1: Hệ thống cơ sở lí thuyết về tốc độ phản ứng 4

1 Tốc độ phản ứng 4

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng 6

2.1 Ảnh hưởng của nồng độ 6

2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 6

2.3 Ảnh hưởng của áp suất 10

2.4 Ảnh hưởng của diện tích bề mặt 10

2.5 Ảnh hưởng của xúc tác 10

Chương 2: Hệ thống cơ sở lí thuyết về động học của phản ứng 11

1 Động học của phản ứng đơn giản 11

2 Động học của phản ứng phức tạp 13

3 Xác định bậc của phản ứng riêng phần dựa vào thực nghiệm 15

IV Hiệu quả của sáng kiến kinh nghiệm đối với hoạt động giáo dục, với bảnthân, đồng nghiệp và nhà trường 19

A Mở đầu

1 Lí do chọn đề tài

Hoá học là môn khoa học tự nhiên nghiên cứu sự kết hợp hoặc phân li cácchất ở mức độ phân tử, quá trình đó gọi là phản ứng hoá học Nhờ các phản ứnghoá học, con người biến nguồn nguyên liệu tự nhiên thành những sản phẩm cóích cho đời sống, đồng thời khai thác nguồn năng lượng tích luỹ ở dạng liên kếthoá học chuyển hoá thành năng lượng có ích Chẳng hạn như đốt cháy nguồnnguyên liệu khí thiên nhiên CH4 là quá trình phá vỡ các liên kết C-H của phân tửCH4 và liên kết O=O của phân tử oxi, sau đó hình thành các liên kết mới C=Ocủa phân tử CO2, H-O của phân tử nước; đồng thời giải phóng năng lượng dướidạng nhiệt, lượng nhiệt này được sử dụng cho đời sống hoặc chuyển thành điệnnăng, cơ năng…Con người biết dựa vào tốc độ phản ứng và cách làm tăng tốcđộ để chọn nguồn nguyên liệu phù hợp với thực tiễn.

Trong quá trình giảng dạy ở trường phổ thông nhiệm vụ phát triển tư duycho học sinh là nhiệm vụ rất quan trọng và đòi hỏi tiến hành đồng bộ ở các mônhọc Trong đó, Hóa học là môn học đề cập đến nhiều vấn đề của khoa học, sẽgóp phần rèn luyện tư duy cho học sinh ở nhiều góc độ thông qua hệ thống bàitập Bài tập hóa học không những có tác dụng rèn luyện kỹ năng vận dụng, đàosâu và mở rộng kiến thức đã học một cách sinh động, phong phú mà còn để ôntập, rèn luyện một số kỹ năng cần thiết về hóa học, rèn luyện tính tích cực, tựlực, trí thông minh sáng tạo cho học sinh và khả năng vận dụng kiến thức vàothực tế cuộc sống, giúp học sinh hứng thú trong học tập Không những vậy, quabài tập hóa học giáo viên có thể kiểm tra, đánh giá việc nắm vững kiến thức vàkỹ năng hóa học của học sinh.

Các vấn đề nêu ở trên khá mới và cũng đã được đưa vào chương trình sáchgiáo khoa mới, gây khó khăn trong quá trình giảng dạy của giáo viên và học tậpcủa học sinh Những năm trước, khi giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi cấp Quốcgia đến phần này, Tôi thường bỏ qua hoặc đề cập nhanh làm cho học sinh khôngthể làm được bài tập; khó hiểu; hiệu quả không cao Từ đó trong Tôi đã hìnhthành phải thực hiện bằng được chuyên đề này giúp bản thân tự tin trong giảngdạy.

Nội dung sáng kiến kinh nghiệm hình thành các khái niệm, các hệ thốngbài tập, phương pháp giải…giúp giáo viên và học sinh có cái nhìn bao quát, dễtiếp cận phần này.

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của sáng kiến này là thứ nhất giúp bản thân hiểu sâu sắc toàndiện về tốc độ và động học của phản ứng Thứ hai, nâng cao chất lượng dạy đạitrà, đội tuyển học sinh giỏi cấp Tỉnh và học sinh giỏi cấp Quốc gia, Quốc tế.Thứ ba, giúp đồng nghiệp có tài liệu để giảng dạy Thứ tư, giúp các em học sinhhiểu rõ bản chất, từ đó tăng khả năng đam mê đối với môn học.

3 Đối tượng nghiên cứu

Trong phạm vi sáng kiến này, Tôi tiến hành nghiên cứu, thu thập, tìm hiểu,học hỏi từ đồng nghiệp, sau đó hệ thống các các kiến thức, đưa ra các bài tậpphù hợp với các đối tượng học sinh.

Do đó, cấu trúc nội dung của sáng kiến này gồm các phần:Chương 1: Hệ thống kiến thức về tốc độ của phản ứngChương 2: Hệ thống kiến thức về động học của phản ứng

Phụ lục: Phân loại các dạng bài tập phù hợp với đối tượng học sinh đại trà,học sinh giỏi cấp Tỉnh, cấp Quốc gia, Quốc tế.

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Nghiên cứu thực tiễn dạy học chương năng lượng liên kết trong trườngTHPT Chuyên Lam Sơn và các Thầy cô giảng dạy ở các trường THPT kháctrong Tỉnh.

4.2 Tham khảo từ các Thầy Cô dạy chuyên trong trường THPT chuyên cácTỉnh thành.

4.3 Thu thập tài liệu và truy cập thông tin trên internet có liên quan đếnchuyên đề.

4.4 Đọc, nghiên cứu và xử lý các tài liệu Sau khi có hệ thống cơ sở líthuyết sáng kiến kinh nghiệm; Tôi đưa ra Tổ chuyên môn để các đồngnghiệp góp ý; xây dựng thành một chuyên đề thuận lợi cho quá trình bồidưỡng đội tuyển.

4.5 Phương pháp khảo sát thực tế để kiểm tra chất lượng của sáng kiếnkinh nghiệm là: giảng dạy học sinh đại trà khối 10, đội tuyển học sinh giỏi Quốcgia năm học 2023- 2024 vừa qua Sau khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm, Tôiso sánh kết quả trước khi thực hiện và sau khi thực hiện để thấy được hiệu quả.

5 Những điểm mới của sáng kiến kinh nghiệm

- Sáng kiến kinh nghiệm đã đưa ra được hệ thống cơ sở lí thuyết đầy đủ, dễtiếp cận đến các vấn đề liên quan đến tốc độ và động học của phản ứng.

- Sáng kiến kinh nghiệm đã đưa ra hệ thống bài tập phù hợp với từng đốitượng học sinh.

- Sáng kiến mở rộng sang cả hướng bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏiQuốc gia, Quốc tế.

B Nội dung của sáng kiến kinh nghiệmI Cơ sở lí luận của sáng kiến kinh nghiệm

Tôi chọn sáng kiến kinh nghiệm ‘tốc độ và động học của phản ứng’ là dựavào các cơ sở lí luận sau:

+ Căn cứ vào thực trạng: sách giáo khoa mới có chương tốc độ phản ứng, làchương có nhiều kiến thức mới so với sách giáo khoa trước đây như hệ số Van’tHoff, điểm chớp cháy, hoá học về phản ứng cháy nổ.

+ Căn cứ vào đề nghị của giáo viên trực tiếp giảng dạy trên lớp, cần thêmtài liệu để tham khảo.

+ Căn cứ vào kết quả khảo sát học sinh về chương này, các em còn lúngtúng trong quá trình giải quyết bài tập.

II Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm

Tốc độ và động học của phản ứng là khoa học nghiên cứu các cơ chế phảnứng, tốc độ phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng Sách giáokhoa mới đã đề cập đến những vấn đề cơ bản về phần này gồm khái niệm, cáchtính và các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng nhưng chưa đưa ra được cơchế các phản ứng có động học đơn giản cũng như phức tạp do giới hạn về mặtthời gian Các kiến thức như định luật tác dụng khối lượng, hệ số Van’t Hoff

cũng còn mới cả Thầy và trò Qua tìm hiểu thực trạng giáo viên phổ thông giảng

dạy đến chương này cho biết cả Thầy và trò thấy phần này khó dạy, học sinhkhó hiểu và thường bỏ qua hoặc chỉ dạy và học sơ sài phần này

Đối với đề thi học sinh giỏi cấp quốc gia và quốc tế, trong những nămqua, đã đề cập tới phần động hóa học dưới nhiều góc độ khác nhau Tuy nhiên,trong sách chuyên hoá, những kiến thức trên chỉ được đề cập đến một cách cònchung chung Qua thực tiễn giảng dạy đội tuyển học sinh giỏi Quốc gia, Quốc tếtôi đă nghiên cứu, lựa chọn và hệ thống những kiến thức lí thuyết cơ bản, trọngtâm; sưu tầm những bài tập điển hình để đưa ra một sáng kiến kinh nghiệm về

“Tốc độ và động học của phản ứng” giúp giáo viên và học sinh có một tài liệu

đầy đủ, hiểu sâu và vận dụng được tốt những kiến thức trên vào việc giải các bàitập và chuẩn bị tốt hơn cho các kì thi học sinh giỏi cấp Tỉnh, cấp Quốc Gia, thichọn đội tuyển Olympic Quốc tế góp phần nâng cao chất lượng giảng dạy, họctập và chất lượng giải trong kì thi học sinh giỏi các cấp.

Là một giáo viên dạy chuyên, Tôi hệ thống hoá và đi sâu các kiến thức cănbản từ dễ đến khó phù hợp với các đối tượng học sinh (học sinh ôn thi đánh giánăng lực, tư duy, học sinh giỏi cấp Tỉnh và tiệm cận đến học sinh giỏi cấp Quốcgia, Quốc tế) Sáng kiến cũng là một tài liệu để giáo viên tham khảo trong quátrình giảng dạy đến phần này.

Sau đây là nội dung sáng kiến

III Nội dung sáng kiến

Chương 1: Hệ thống cơ sở lí thuyết về tốc độ của phản ứng1 Tốc độ phản ứng hoá học

Tốc độ của một phản ứng hóa học là biến thiên nồng độ của chất phản ứnghoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian chia cho hệ số tỉ lượng của chấtnghiên cứu trong phương trình phản ứng đã cân bằng.

Nồng độ của các chất thường được biểu thị bằng mol/lit và đơn vị của tốcđộ phản ứng là mol.l-1.thời gian-1 Nếu phản ứng được miêu tả bằng phương trìnhtỷ lượng:

nA + mB + → n’A’ + m’B’ + (1)trong đó: n, m, n’, m’ là các hệ số tỷ lượng;

A, B, là các chất tham gia phản ứng; A’, B’, là các sản phẩm phản ứng.thì tốc độ của phản ứng được xác định như sau:

A = - 1

B = 1

A' = 1

v = k[A]x[B]y (4)

k: là hằng số tốc độ của phản ứng Đối với một phản ứng giá trị của k chỉphụ thuộc vào nhiệt độ Thứ nguyên của k phụ thuộc vào x, y.

x: là bậc phản ứng riêng phần của chất A.y: là bậc phản ứng riêng phần của chất B.

(x + y): là bậc toàn phần của phản ứng.

Biểu thức trên cũng còn được gọi là định luật tác dụng khối lượng về tốc độ phảnứng.

Với các phản ứng đơn giản tức là các phản ứng chỉ diễn ra theo một giaiđoạn (cũng thường gọi là phản ứng sơ cấp), x và y trùng với hệ số tỉ lượng củachất phản ứng trong phương trình phản ứng đã cân bằng.

Đối với các phản ứng phức tạp, diễn ra theo nhiều giai đoạn, bậc phảnứng x và y có thể trùng hoặc không trùng với hệ số tỉ lượng Vì thế, đối với cácphản ứng phức tạp, không thể dựa vào các hệ số tỉ lượng để đưa ra biểu thức củađịnh luật tốc độ mà phải dựa vào thực nghiệm.

Chẳng hạn như phản ứng oxi hóa NO bởi O2:

2NO + O2  NO2

Thực nghiệm cho biết rằng tốc độ oxi hóa NO được diễn tả bằng biểuthức: v = k.[NO]2.[O2] Như vậy, bậc phản ứng riêng phần của NO là 2,bậc phản ứng riêng phần của O2 là 1, trùng với các hệ số tỉ lượng.

Nhưng trong nhiều phản ứng phức tạp, các hệ số x, y không trùng với hệsố tỉ lượng Chẳng hạn như phản ứng khử NO bằng hydro:

2NO + 2H2  N2 + 2H2O

có biểu thức của định luật tốc độ thực nghiệm là v = k.[NO]2[H2] Như thế, bậcphản ứng riêng phần của H2 chỉ là 1, trong khi hệ số tỉ lượng của nó trongphương trình phản ứng là 2

Thậm chí, x và y có thể nhận các giá trị không phải là số nguyên hoặcbằng không Chẳng hạn như, với phản ứng clo hóa cloroform:

CHCl3(k) + Cl2(k)  CCl4(l) + HCl(k)

có định luật tốc độ diễn tả bằng biểu thức: v = k[CHCl3][Cl2]1/2

Từ biểu thức định luật tác dụng khối lượng, ta dễ dàng tìm ra được thứ nguyêncủa hằng số tốc độ phản ứng Chẳng hạn như, tốc độ phản ứng phân hủy N2O5: 2N2O5  2NO2 + O2

được diễn tả bằng biểu thức: v = k[N2O5]

Nếu v có thứ nguyên là mol.L -1.s-1 và [N2O5] có thứ nguyên là mol.L -1 tacó thứ nguyên của k: mol.lit s ]1 11

 = L.mol1.s1

Ví dụ 2: Phản ứng giữa NO và H2 biểu diễn bởi phương trình sau:

.

mol l smol

 = mol2.l2 = (mol.L-1)2  phản ứng là bậc 2.

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng2.1 Ảnh hưởng của nồng độ

Xét phản ứng ở nhiệt độ không đổi: nA + mB → n’A’ + m’B’ Biểu thức định luật tốc độ phản ứng có dạng: v = k[A]x[B]y (5)

Từ biểu thức tốc độ của phản ứng ta thấy nếu tăng nồng độ chất tham giaphản ứng thì tốc độ phản ứng sẽ tăng, ngược lại nếu giảm nồng độ chất tham giaphản ứng thì tốc độ phản ứng giảm.

2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Để xảy ra phản ứng hóa học, các chất phản ứng cần phải tiếp xúc với nhauthông qua các va chạm giữa các tiểu phân (nguyên tử, phân tử, ion) và tốc độphản ứng tỉ lệ với số va chạm trong một đơn vị thời gian Tuy nhiên, không phảitất cả các va chạm đều dẫn tới phản ứng hoá học Chỉ các va chạm có nănglượng dư cần thiết, so với năng lượng trung bình mới phá vì được các liên kếttrong các phân tử chất đầu dẫn đến hình thành các phân tử mới Những va chạmnhư thế gọi là va chạm có hiệu quả

Hiệu giữa năng lượng tối thiểu để các va chạm là hiệu quả với năng lượngtrung bình của hệ các chất phản ứng gọi là năng lượng hoạt động hoá (Ea) vàtính ra kJ/mol.

Năng lượng hoạt động hoá như một hàng rào năng lượng mà các phân tử chấtphản ứng phải đạt được khi va chạm để phản ứng có thể xảy ra (hình 1) Hiệu

giữa năng lượng mà các phân tử đạt được khi xảy ra các va chạm có hiệu quảvới năng lượng trung bình của các phân tử ở trang thái đầu chính là chiều caocủa hàng rào năng lượng gọi là năng lượng hoạt động hoá của phản ứng thuận.Phản ứng nghịch xẩy ra khi có các va chạm hiệu quả giữa các phân tử sản phẩm.Vì năng lượng trung bình của các phân tử chất đầu và năng lượng trung bình củacác phân tử sản phẩm là khác nhau nên năng lượng hoạt động hoá của phản ứngthuận và phản ứng nghịch cũng khác nhau.

Trong trường hợp tổng quát, ở điều kiện nhiệt độ và áp suất không đổi, biếnthiên năng lượng này bằng biến thiên thế đẳng áp chuẩn G0 của phản ứng Tuynhiên, năng lượng dư mà các phân tử đạt được trong các va chạm hoạt độngđược chuyển hoá từ năng lượng của chuyển động nhiệt, tức là chủ yếu chỉ liênquan với biến thiên entanpi của phản ứng

Vì thế, người ta thừa nhận mối quan hệ sau đây giữa năng lượng hoạt độnghoá của phản ứng thuận (Eat), năng lượng hoạt động hoá phản ứng nghịch (Ean)và biến thiên entanpi của phản ứng (Hr):

Eat – Ean = Hr (6)

Khi tăng nhiệt độ, động năng trung bình của các phân tử tăng lên, số va chạmcó hiệu quả sẽ tăng lên, tức là tốc độ phản ứng tăng lên Những nghiên cứu thựcnghiệm rộng rãi cho thấy rằng đối với đa số các phản ứng hóa học, khi tăngnhiệt độ thêm 100C thì tốc độ phản ứng tăng lên từ 2 đến 4 lần Ví dụ đối vớiphản ứng :

H2O2 + 2I- + 2H+ → I2 + 2H2ONếu cho rằng ở 00C, k=1 thì :

Hr

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng dĩ nhiên ta phảicố định nồng độ các chất tham gia phản ứng Do đó, sự phụ thuộc của tốc độphản ứng vào nhiệt độ thực chất là sự phụ thuộc của hằng số tốc độ vào nhiệt độ.Gọi kT là hằng số tốc độ của phản ứng đó cho ở nhiệt độ T và kT+10 là hằng sốtốc độ của phản ứng ở nhiệt độ T+10, theo quy tắc trên ta có :

Ở đây, γ (gama) được gọi là hệ số nhiệt độ của phản ứng.

Quy tắc này chỉ là một sự gần đúng thô, chỉ áp dụng được khi khoảng nhiệtđộ biến thiên nhỏ hơn 1000C.

Nếu chấp nhận γ = const trong một khoảng nhiệt độ nào đó ta có công thức sau :

T2 T1

k =

Khi Ea = 0, thì e-Ea/RT = 1 nên k = A Giả định Ea = 0 tương đương với giả địnhrằng tất cả các va chạm đều dẫn tới phản ứng Như thế A có thể coi là tần suấtcủa các va chạm Vì lẽ đó, A cũng thường gọi là thừa số tần suất.

Từ phương trình Ahrenius rút ra: lnk = lnA – Ea/RT (8)

Dựa vào phương trình (II.8) có thể xây dựng đường thẳng thực nghiệmlnk = f(1/T) và thu được hệ số góc là giá trị –Ea/R.

Từ (II.8) cũng rút ra một biểu thức cho phép xác định năng lượng hoạt động hoá khi biết hằng số tốc độ ở hai nhiệt độ khác nhau:

Ví dụ 4: Tại 250C, phản ứng 2A(k) 4B(k) + C(k) có hằng số k= 1,8.10-5s-1 Phảnứng trên xảy ra trong bình kín thể tích 20,00 (l) không đổi Ban đầu lượng chấtA cho vừa đầy bình Tại thời điểm khảo sát, áp suất riêng phần của khí A là0,070atm ( giả thiết các khí đều là khí lý tưởng)

1 Tính tốc độ: a Tiêu thụ A

b Hình thành B, C ( theo mol/l.s)

2 Tính số phân tử A đã bị phân tích sau 10 giây.

3 Khi nâng nhiệt độ phản ứng từ 250C lên đến 350C thì tốc độ ban đầu củaphản ứng tăng 2,5 lần Hãy xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng.Biết T(K) = t0(C) + 273,15; R= 8,314 J/mol.K; số Avogađro là 6,023.1023

Bài làm

1 Từ biểu thức

v=k.[A]=k Với áp suất A là 0,07atm:

2 Số phân tử A đã bị phân hủy được tính theo biểu thức:Số phân tử A bị phân hủy = N = VA tiêu thụ Vbình T N0 Thay số: N= 1,032.10-7.20,0.10,0.6,02.1023≈ 1,243.1019 phân tử.