hóa lý 2 đề tài bài tập lớn bài tập động học phản ứng đơn giản

Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu về phương pháp giải tích và phương pháp đồ thị trong việc xác định bậc phản ứng động học của các phản ứng động học đơn giản .4.. Phương Pháp nghiên cứu:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HUẾ - ĐẠI HỌC HUẾ

BỘ MÔN: HÓA LÝ 2

ĐỀ TÀI BÀI TẬP LỚN: BÀI TẬP ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG ĐƠN GIẢN

Giảng viên: Nguyễn Thị Anh Thư Sinh viên: Đỗ Hoàng Diệu Ngân Mã SV: 20S2010051

Lớp: Hóa 3A

Huế /tháng 10 – 2022

PHẦN I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI1 Tên đề tài: Bài tập động học phản ứng đơn giản

2 Lý do chọn đề tài:

Bài tập động học là một phần quan trọng trong giảng dạy môn Hóa Học ở các trường THPT Chuyên, cũng như giảng dạy cho sinh viên ngành Hóa Học, đồng thời là tư liệu để học tậprèn luyện cho mỗi sinh viên sư phạm hóa học về kiến thức cơ bản cũng như tổng quát của phần động hóa học, giúp trang bị kiến thức cho việc giảng dạy của mỗi sinh viên sư phạm hóa học saunày khi trở thành giáo viên khi giảng dạy về phần “Tốc độ phản ứng Hóa học” ở trường THPT, cũng như phần Động Hóa Học ở trường THPT Chuyên, có khả năng bồi dưỡng học sinh giỏi cấpTHPT môn Hóa, là tiền đề để phát triển khả năng học tập và lý luận trong quá trình học tập phần Động Hóa học, cũng như có sự kết nối kiến thức đến những phần khác trong hóa học Chính vì

thế, em xin chọn đề tài: “Bài tập động học phản ứng đơn giản” để làm đề tài bài tập lớn

3 Mục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu về phương pháp giải tích và phương pháp đồ thị trong việc xác định bậc phản ứng động học của các phản ứng động học đơn giản

4 Phương Pháp nghiên cứu:

Tìm hiểu về phương pháp giải tích và cách sử dụng nó trong việc xác định bậc của phản ứngđộng học cơ bản, áp dụng vào bài tập động học phản ứng đơn giản.

Tìm hiểu về phương pháp đồ thị và cách sử dụng nó trong việc xác định bậc của phản ứng động học cơ bản, áp dụng vào bài tập động học phản ứng đơn giản.

5 Phạm vi nghiên cứu:

Lý thuyết về phản ứng động học đơn giản

Phương pháp giải tích trong việc xác định bậc của phản ứng động học đơn giản Phương pháp đồ thị trong việc xác định bậc của phản ứng động học đơn giản Các bài tập về phản ứng động học đơn giản từ nhiều nguồn khác nhau.

6 Đối tượng nghiên cứu:

Các phương pháp xác định bậc phản ứng của phản ứng động học đơn giản.

Các bài tập xác định bậc phản ứng của phản ứng động học đơn giản bằng phương pháp giải tích và phương pháp đồ thị.

PHẦN II: NỘI DUNGII Phản ứng động học bậc 1

1 Cách xác định bậc của phản ứng động học bậc 1 bằng phương pháp giải tícha Cơ sở lý thuyết của phản ứng bậc 1

Xét phản ứng:

t1 = 0 at2 = t a – x

=

d(a x)dt

= dx

dt = k.(a – x)  dx

kdta x Lấy tích phân:

kdta x 

 –ln(a – x) = kt + C (C: hằng số)Khi t = 0  x = 0  C = –lna

Vậy: –ln(a – x) = kt – lnaSuy ra:

k lnt a x

 hay

ot1 Ck ln

t C

Khi x = a

2 : t = t1/2  k = 1/ 2ln 2

t (t

1/2: chu kỳ bán hủy)

1/ 2

ln 2t

= const

Chu kỳ bán hủy của phản ứng một chiều bậc 1 là hằng số.

b Phương pháp giải tích- Phương pháp thế:

Sử dụng các số liệu thực nghiệm thay vào các phương trình động học của các phản ứng bậc 1,… Phương trình nào cho giá trị hằng số tốc độ không đổi thì bậc của phản ứng chính là bậc củaphương trình đó.

- Phương pháp tốc độ đầu:

Muốn tìm bậc phản ứng của chất i nào đó, ta lấy nồng độ các chất khác rất lớn sao cho

trong quá trình phản ứng nồng độ các chất đó có thể xem như không đổi, khi đó:n

n1n2CC =

n12CC  

   ni = 1212vlg

Từ phương trình (1) và (2) nhận thấy nếu ta khảo sát sự phụ thuộc nồng độ chất phản ứngtheo thời gian như phương trình (1) thì việc xác định hằng số tốc độ phản ứng k là khó khănvì đây là hàm mũ, còn nếu khảo sát phương trình (2) thì thấy phương trình (2) chính làphương trình tuyến tính bậc nhất dạng y = ax, trong đó:

Do đó, dựa vào số liệu thực nghiệm ta khảo sát hàm

phụ thuộc hàm tuyến tính theo thời gian với độ dốc của đồ thị xác định được hằng số tốc độ phản ứng k = tg

t2 = t a – x a – xdC

= dx

dt = k.(a – x)2  2dx

kdt(a x) Lấy tích phân:

kdt(a x) 

 1

a x = kt + C

Khi t = 0  x = 0  C = 1a

α

Vậy: 1

a x = kt + 1aSuy ra:

2 : t = t1/2  k = 1/ 21a.t (t

1/2: chu kỳ bán hủy)

1/ 21t

a2 Trường hợp a  b

t2 = t a – x b – xdC

= dx

dt = k.(a – x)(b – x) 

kdt(a x)(b x)  Lấy tích phân:

kdt(a x)(b x)  

t(a b) a(b x)

b Phương pháp giải tích- Phương pháp thế :

Sử dụng các số liệu thực nghiệm thay vào các phương trình động học của các phản ứng bậc 2, … Phương trình nào cho giá trị hằng số tốc độ không đổi thì bậc của phản ứng chính là bậc của phương trình đó.

-Phương pháp tốc độ đầu:

Muốn tìm bậc phản ứng của chất i nào đó, ta lấy nồng độ các chất khác rất lớn sao cho trong

quá trình phản ứng nồng độ các chất đó có thể xem như không đổi, khi đó:n

n1n2CC =

n12CC  

   ni = 1212vlg

CXác định n1, n2, n3,…  bậc phản ứng n.

Suy ra:

Nồng độ ban đầu của hai chất tham gia phản ứng bằng nhau a = b hay C01 = C0

Phương trình tốc độ phản ứng dạng tích phân:

Phương trình (5) biểu diễn nghịch đảo của nồng độ chất tham gia phản ứng tại thời điểm t phụ thuộc tuyến tính theo thời

gian Đường biểu diễn có dạng y=ax+b, có độ dốc bằng k=tgα , cắt trục tung tại

Hình 3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nghịch đảo nồng độ chất tham gia phản ứng theo thời gianNhư vậy, trong phương pháp đồ thị người ta thử các số liệu thực nghiệm vào dạng tích phâncủa phương trình động học để tìm sự phù hợp Trước hết giả định phản ứng có bậc n Sau đó từdạng tích phân của phương trình động học tìm một hàm của nồng độ chất tham gia phản ứngphụ thuộc tuyến tính theo thời gian Vẽ đường biểu diễn của hàm này dựa vào các kết quả thựcnghiệm Sự thẳng hàng của các điểm biểu diễn chứng tỏ tính đúng đắn của bậc phản ứng đã giảđịnh, từ đó cũng xác định được hằng số tốc độ phản ứng dựa vào độ dốc của đồ thị.

= dx

dt = k.(a – x)3  3dx

kdt(a x) Lấy tích phân:

kdt(a x) 

2(a x) = kt + 212aSuy ra:

2 : t = t1/2  k = 2 1/ 232a t (t

1/2: chu kỳ bán hủy)

1/ 223t

2k.a

b Phương pháp giải tích- Phương pháp thế:

Sử dụng các số liệu thực nghiệm thay vào các phương trình động học của các phản ứng bậc 3,… Phương trình nào cho giá trị hằng số tốc độ không đổi thì bậc của phản ứng chính là bậc của phương trình đó.

-Phương pháp tốc độ đầu:

Muốn tìm bậc phản ứng của chất i nào đó, ta lấy nồng độ các chất khác rất lớn sao

cho trong quá trình phản ứng nồng độ các chất đó có thể xem như không đổi, khi đó:

n1n2CC =

n12CC  

   ni = 1212vlg

Xác định n1, n2, n3, …  bậc phản ứng n.

Nếu n1+n2+n3+…+ni = 2 => bậc phản ứng là bậc 3

PHẦN III: BÀI TẬP VẬN DỤNG1.Bài tập về xác định bậc của phản ứng bậc 1

2 Ở thời điểm nào áp suất của hỗn hợp bằng 0,822 atm.

Đáp án

1 Để chứng minh phản ứng: C H O36(k)  C H24(k) CO(k) H2(k) là phản ứng bậc

nhất dựa vào thực nghiệm ta phải kiểm chứng

ot1 Pk ln

t P

là hằng số.Trong đó Pt là áp suất riêng của C3H6O tại thời điểm t.

Ta có: C3H6O(k)  C2H4(k) + CO(k) + H2(k)t1 = 0 Po

t2 = t Po – P’ P’ P’ P’

Áp suất của hệ tại thời điểm t: P = Po + 2P’

oP PP'

Mặt khác: Pt = Po – P’ 

3P PP

2Ta rút ra được:

t (phút) 0 5 10 15Pt (atm) 0,411 0,348 0,294 0,246Thực hiện các phép tính:

 P’ =

0,822 0,4112

=

0,4112 =

oP

4 3 0 2 8Xác định bậc của phản ứng.

Đáp án

Ta dễ thấy:

– Nồng độ ban đầu của H2O2 tỉ lệ thuận với V khí O2

– Nồng độ của H2O2 ở thời điểm t tỉ lệ thuận với V  Vt khí O2Giả sử phản ứng phân hủy H2O2 là phản ứng bậc 1, ta có:

Ta lập bảng sau:

k (phút–1) 0,122

0,126Vậy phản ứng là bậc 1.

Dựa vào các kết quả này, hãy:

a) Chứng minh rằng phản ứng phân huỷ đimetyl ete là phản ứng bậc một.b) Tính hằng số tốc độ phản ứng ở 504oC.

c) Tính áp suất tổng của hệ trong bình và phần trăm lượng (CH3)2O đã bị phân hủy sau 460 giây.

Đáp án

a) (CH3)2O(k) CH4 (k) + CO(k) + H2(k)to = 0 Po

* t = 3100 s thì P(CH ) O3 2 = 100 mm Hg* t = 4650 s thì P(CH ) O3 2 = 50 mm Hg

Vì nhiệt độ và thể tích bình không đổi nên áp suất tỉ lệ với số mol khí Ta nhận thấy, cứ sau 1550 giây thì lượng (CH3)2O giảm đi một nửa Do đó, phản ứng phân hủy (CH3)2O là phản ứng bậc 1 với t1/2 = 1550 s.

b) Hằng số tốc độ của phản ứng là: k = ln2 / t1/2 = 0,693 / 1550 = 4,47.10-4 s-1.c) Pt = Po.e-kt = 400.e4,47.10 4604

= 325,7 (mm Hg) P = Po – Pt = 400 – 325,7 = 74,3 (mm Hg)

 Áp suất của hệ sau 460 giây là: Ph = Po + 2P = 400 + 2.74,3 = 548,6 (mm Hg)

Phần trăm (CH3)2O bị phân huỷ =

400 .100% = 18,58 %Câu 4 :

Khí N2O5 khi phân hủy tạo thành nitrogen dioxide và khí oxygen với tốc độ đầu ở25oC được cho trong bảng sau:

Tốc độ phân hủy

(mol L–1.phút–1) 3,42.10

– 4 7,98.10– 4 1,48.10– 3

Viết biểu thức tốc độ phản ứng và tính hằng số tốc độ k cho phản ứng này.

Đáp án

Biểu thức tốc độ phản ứng:

Ta có tốc độ phân hủy: v = k[N2O5]x, ở nhiệt độ không đổi k là hằng số Do đó:

x125 1x225 2v [N O ]v [N O ] .Từ bảng số liệu ta có:

suy ra: x = 1Hoặc:

suy ra: x = 1.Vậy phản ứng là bậc 1, hay: v = k.[N2O5]

C12H22O11 (A) + H2O → C6H12O6 (Glucose) + C6H12O6 (Fructose)Cho bảng số liệu động học sau:

Thời gian phản ứng (phút) 0 60 96 162Nồng độ C12H22O11 (mol/lit) 0,57 0,45 0,39 0,3

a Chứng minh rằng phản ứng thủy phân đường A tuân theo quy luật động

học của phản ứng bậc nhất, từ đó tính hằng số tốc độ của phản ứng (ghi rõ đơn vị).

b Nếu ban đầu cho vào bình phản ứng 12,11 lit dung dịch đường A, sau một

thời gian thu được 2,45916 kg hỗn hợp đường.

Tính % lượng đường A đã bị thủy phân và thời gian cần thiết để thực hiện phản ứng đó?

a−x (với a: nồng độ ban đầu; a-x: nồng độ còn lại sau thời gian t)

2 Bài tập về xác định bậc của phản ứng bậc 2Câu 6 :

Xét phản ứng : 2A + B  C + D

Hằng số tốc độ phản ứng tính theo đơn vị : mol-1 l s–1Kết quả một số thí nghiệm như sau :

Nhiệt độ(oC)

Nồng độ đầu của A

(mol.l–1 )

Nồng độ đầu của B

Đơn vị của V = đơn vị của k  (đơn vị của C)n = mol–1 l s–1 moln.l–n = mol1 – n l1– n s–1

So sánh với đơn vị của V cho trong bài mol l–1 s–1

 n = 2  phản ứng có bậc bằng 2  x + y = 2Qua các TN 1 và 2 ở 25oC ta có :

V = k yBxA.C

Chia 2 vế cho nhau ta có : 3x = 3  x = 1  y = 1

 k = 0,25.0,75

= 2,13 10–3 mol–1 l.s–1

Câu 7 :

Sự thủy phân ethyl acetate bằng xút theo phương trình phản ứng sau đây tuân theo quy luật của phản ứng bậc 2: CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OHKết quả khảo sát lượng ethyl acetate và xút theo thời gian được cho ở bảng dưới đây:

Lượng kiềm(mol)

0,5638 0,4866 0,4467 0,4113 0,3879

Lượng este(mol)

t a ba b x

Câu 8 :

Phản ứng giữa methyl bromide và anion metyl trong dung môi ancol metylicCH3Br + CH3O- CH3OCH3 + Br- (*)

Cho 54 gam CH3ONa và 95 gam methyl bromide vào bình nón, thêm ancol metyilcvào bình nón để thu được dung dịch có thể tích 1 lít Theo dõi phản ứng, sau mỗi khoảng 30 phút sẽ lấy 50 mL hỗn hợp cho vào bình chứa sẵn 50 mL dung dịch AgNO3 0,1 M Lượng AgNO3 dư sẽ được chuẩn bằng NH4SCN 0,1 M thu được AgSCN Phép chuẩn độ dừng lại khi giọt dư đầu tiên của NH4SCN sẽ được nhận biết bằng chỉ thị Fe3+ do tạo phức Fe(SCN)3 có màu đỏ máu, khi đó thu được bảng số liệu sau:

VNH4SCN (ml)

+Br-Ag+ dư + SCN-  AgSCN

Dừng chuẩn độ : Fe3+ + 3SCN- = Fe(SCN)3

CCH3ONa = 1MCCH3Br = 1M

Nồng độ Br- trong 50 ml hỗn hợp và trong 1 lít Trong 100 ml sau khi trộn với 50 ml AgNO3

nBr-= nAg+ pư = nAg+ bđ - nAg+ dư = CAg+ bđ VAg+ bđ -

CBr- (M)

1,64.10-2 3,22.102

-Giả sử phản ứng bậc 2

k = t

5,56.10-4 5,55.104

-Các giá trị k xấp xỉ nhau nên đây là phản ứng bậc 23

b) Xác định bậc riêng phần của phản ứng theo từng chất và bậc riêng phần củaphản ứng.

c) Tính hằng số tốc độ của phản ứng.

d) Trong thí nghiệm (1), cần thời gian là bao nhiêu để nồng độ KOH là0,05mol.L-1.

Đáp án

a) CH3Br + OH- → CH3OH + Brb) Đối với KOH: 0,17/0,10 = 1,7 4,76/2,80 = 1,7 → Bậc 1.

Đối với CH3Br: 0,20/0,10 = 2 → vo = 5,60.10-6mol.L-1.s-1.1,85/5,60 = 0,33

0,033/0,10 = 0,33 → Bậc 1Bậc tổng cộng của phản ứng là 2

NH4OCN  H2NCONH2

Hơn 150 năm sau phản ứng đã được nghiên cứu cẩn thận hơn bằng các phương pháp động học Các dữ kiện cho dưới đây sẽ cho biết thời gian phản ứng Thí nghiệm bắt đầu từ lúc hòa tan 30,0g amonixianat trong 1,00 lít nước.

1 Tính nồng độ của amonixianat ở từng thời điểm trên.2 Chứng mịnh phản ứng là bậc 2 và tính hằng số tốc độ k.

3 Khối lượng của amonixianat còn lại là bao nhiêu sau 30 phút.

[NH4OCN] = 0.0297 mol/L m(NH4OCN) = 17.84 g

3.Bài tập về xác định bậc của phản ứng bậc 3Câu 11 :

Bài 1: Nghiên cứu động học phản ứng sau ở 25oC: 2NO + O2  2NO2Tốc độ đầu của phản ứng phụ thuộc vào nồng độ đầu các chất như sau:

Nồng độ đầu (mol.l–1)

Tốc độ đầu (mol.l–1.s–1)

1,3.10–2 1,1.10–2 3,2.10–31,3.10–2 2,2.10–2 6,4.10–32,6.10–2 1,1.10–2 12,8.10–3

1 Xác định bậc riêng phần của phản ứng theo NO, O2 và bậc toàn phần của phản ứng.

2 Tính hằng số tốc độ của phản ứng.

Đáp án

1 Biểu thức tốc độ phản ứng: v = k[NO]x[O2]yTa có

v1 = k(1,3.10–2)x(1,1.10–2)y = 3,2.10–3v2 = k(1,3.10–2)x(2,2.10–2)y = 6,4.10–3v3 = k(2,6.10–2)x(1,1.10–2)y = 12,8.10–3Lập tỉ lệ

v = 2y = 2  y = 13

v = 2x = 4  x = 2Bậc riêng phần theo NO: 2Bậc riêng phần theo O2: 1

Bậc toàn phần của phản ứng: 2 + 1 = 32 Hằng số tốc độ của phản ứng:

= 1721,36 (mol–2.l2.s–1)

Câu 12 :

Nghiên cứu động học phản ứng sau ở 700oC:

Vậy phản ứng bậc 2 theo NO; bậc 1 theo H2;bậc toàn phần: 2 + 1 = 3

2 Hằng số tốc độ phản ứng:

k = 2

vp p

= 0,096 (atm–2.phút–1)

4 Bài tập tổng hợp

(mol.l-1.phút-1)A B

1 Hãy lập biểu thức động học cho phản ứng trên.

2 Tính hằng số tốc độ k của phản ứng ( có ghi rõ đơn vị).

Đáp án:

1 Ta có phương trình động học: V = k CAx.CBy (I), trong đó số bậc riêng phần theo A là x, theo B là y Để xác định x,y ta xét tỉ số tốc độ giữa 2 thí nghiệm a) Để xác định x ta xét các thí nghiệm 1 với 3:

V1 = k(0,10)x.(0,10)y

V3 = k(0,30)x.(0,10)y (II) Ta coi tốc độ hình thành là tốc độ phản ứng, thay trị số V1, V3 từ bảng vào (II), ta có:

Phản ứng có bậc = 0 theo chất A

b) Để xác định y ta xét các thí nghiệm 2 và 3:

,

0,10 3, 0.10



Phản ứng có hệ = 1 theo chất B.

Vậy phương trình động học của phản ứng là: V = kCB (III) Từ (III) ta có biểu thức tính k là: k = V / CB Thay số liệu từ 1 trong 4 thí nghiệm trên, chẳng hạn từ số liệu thí nghiệm 1:

k =

Dùng số liệu 4 để kiểm tra kết quả ở trên: V4 = k.CB = 3.10-3phút -1 0,2 mol.l-1 = 6,0.10-4 Trị số V4 được tính trùng với kết quả đã cho trong bảng, như vậy kết quả đã tính là đúng.

Phương trình động học của phản ứng tại 25oC là: V = 3.10-3 phút-1.CB.

a) Sử dụng các dữ liệu trên để xác định bậc riêng phần đối với từng chất phản ứngvà viết biểu thức của định luật tốc độ cho phản ứng (1).

b) Tính hằng số tốc độ và cho biết thứ nguyên của nó.

3.100,10

Như vậy, vận tốc phản ứng trong các thí nghiệm 1, 2, 3, 4 tương ứng: v1 = k(0,010)a(0,10)b(0,010)c = 6,1.10-4 (mol.L1.s1)

v2 = k(0,040)a(0,10)b(0,010)c = 2,4.10-3 (mol.L1.s1) v3 = k(0,010)a(0,30)b(0,010)c = 5,5.10-3 (mol.L1.s1) v4 = k(0,010)a(0,10)b(0,020)c = 2,3.10-3 (mol.L1.s1)

Ta có: 21

4 4a

v    a = 1; 31

9 3b

v    b = 2; 41

4 2c

v    c = 2 Định luật tốc độ: v = k[I]1[IO3-]2[H+]2

= 6,1.104 (mol4.L4.s1)Tính tương tự ta có:

k2 = 6,0.104 (mol4.L4.s1); k3 = 6,1.104 (mol4.L4.s1); k4 = 5,8.104 (mol4.L4.s1) k = (6,1 + 6,0 + 6,1 + 5,8).104(mol4.L4.s1) = 6,0.104 (mol4.L4.s1)

Câu 15:

Thực nghiệm hoá học có phương pháp đo độ nở của dung dịch để nghiên cứuđộng học của phản ứng Độ nở đó tỉ lệ thuận với nồng độ chất phản ứng có mặttrong dung dịch Thực nghiệm thu được số liệu sau đây tại 200C cho phản ứngtrong dung dịch nước (có pH thích hợp):

a) Xác định bậc của phản ứng và hằng số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ thí nghiệm