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 TÀI

1 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 DUNG

II Phản ứng động học bậc 1

1 Cách xác định bậc của phản ứng động học bậc 1 bằng phương pháp giải tích

a Cơ sở lý thuyết của phản ứng bậc 1

dt



=

d(a x)dt

Vậy: –ln(a – x) = kt – lna

k



= constChu 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:

ndC

n 1 n 2

C

C =

i

n 1 2

CC

 

 

   ni =

1 2 1 2

vlgvClgCXác định n1, n2, n3, …  bậc phản ứng n

Co: nồng độ ban đầu của chất tham gia phản

ứng A C : nồng độ chất A tại thời điểm t

dx

kdt(a x) 

α

Vậy:

1

a x = kt +

1aSuy ra:

1/2: chu kỳ bán hủy)

1/ 2

1t

dx

kdt(a x)(b x)  

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:

ndC

n 1 n 2

C

C =

i

n 1 2

CC

 

 

   ni =

1 2 1 2

vlgvClgCXác 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 C0

1 = C0 2

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

kdt(a x) 

12(a x) = kt + C

Khi t = 0  x = 0  C = 2

12a

1

2(a x) = kt + 2

12aSuy ra:

1/2: chu kỳ bán hủy)

1/ 2 2

3t

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:

ndC

n 1 n 2

C

C =

i

n 1 2

CC

 

 

   ni =

1 2 1 2

vlgvClgCXác 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 DỤNG 1.Bài tập về xác định bậc của phản ứng bậc 1

1 Chứng minh phản ứng là bậc nhất theo thời gian

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

Đáp án

1 Để chứng minh phản ứng: C H O3 6 (k)  C H2 4(k) CO(k) H2(k) là phản ứng bậc

nhất dựa vào thực nghiệm ta phải kiểm chứng

o t

3P PP

2





Ta rút ra được:

t (phút) 0 5 10 15

Pt (atm) 0,411 0,348 0,294 0,246Thực hiện các phép tính:

1 1

0,411ln

0,411ln

0,411ln

Áp suất riêng của C3H6O giảm còn một nửa nên thời gian xảy ra phản ứng chính là chu kỳ bán hủy t1/2

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 O2

Giả sử phản ứng phân hủy H2O2 là phản ứng bậc 1, ta có:

0,127

0,126Vậy phản ứng là bậc 1

Câu 3 :

Cho phản ứng: (CH3)2O(k) ⃗ CH4(k) + CO(k) + H2(k)

Khi tiến hành phân hủy đimethyl ether (CH3)2O trong một bình kín ở nhiệt độ 504oC

và đo áp suất tổng của hệ, người ta được các kết quả sau:

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

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 =

74,3

400 .100% = 18,58 % Câu 4 :

Khí N2O5 khi phân hủy tạo thành nitrogen dioxide và khí oxygen với tốc độ đầu ở

25oC 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.



suy ra: x = 1Hoặc:

C12H22O11 (A) + H2O → C6H12O6 (Glucose) + C6H12O6 (Fructose)

Cho bảng số liệu động học sau:

Thời gian phản ứng (phút) 0 60 96 162

Nồng 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?

2 Bài tập về xác định bậc của phản ứng bậc 2

Câu 6 :

Xét phản ứng : 2A + B  C + D

Hằng số tốc độ phản ứng tính theo đơn vị : mol-1 l s–1

Kết quả một số thí nghiệm như sau :

(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

3

y x

4

) 75 , 0 ( ) 75 , 0 ( k 10 2 , 1 : 2 TN

) 75 , 0 ( ) 25 , 0 ( k 10 0 , 4 : 1 TN

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

Phản ứng giữa methyl bromide và anion metyl trong dung môi ancol metylic

CH3Br + 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

-6,22.10 2

-7,68.10 2

-5,53.10 4

-5,55.10 4

-Các giá trị k xấp xỉ nhau nên đây là phản ứng bậc 2

Bromomethane có thể phản ứng được với OH- theo cơ chế SN

a) Viết phương trình của phản ứng thế này

Tốc độ ban đầu của phản ứng và các nồng độ ban đầu của CH3Br và KOH cho ởbảng dưới đây, tất cả các thí nghiệm đều tiến hành ở 25oC

C(CH3Br) C(KOH) vo(mol.L-1.s-1)Thí nghiệm 1 0,10mol.L-1 0,10mol.L-1 2,80.10-6

Thí nghiệm 2 0,10mol.L-1 0,17mol.L-1 4,76.10-6

Thí nghiệm 3 0,033mol.L-1 0,20mol.L-1 1,85.10-6

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

Câu 10:

Vào năm 1824 nhà hóa học Đức Friedrich Wohler đã lật đổ thuyết “lực sống” Thuyết này cho rằng con người không thể tổng hợp được chất hữu cơ từ chất vô cơ

mà không có sự trợ giúp của thần nhưng Wohler đã làm được Ông đã điều chế ure

từ amonixianat bằng cách nhiệt phân:

NH4OCN  H2NCONH2Hơn 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.

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



= 1721,36 (mol–2.l2.s–1)

Câu 12 :

Nghiên cứu động học phản ứng sau ở 700oC:

2NO + 2H2  N2 + 2H2O

Tốc độ đầu của phản ứng phụ thuộc vào áp suất đầu các khí như sau:

Áp suất đầu (atm)

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:

x x V

4 3

3.10

3.10

xV

x V





4 2

4 3

0,10 3, 0.10

y y V

y V

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:

a) Sử dụng các dữ liệu trên để xác định bậc riêng phần đối với từng chất phản ứng

và 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

Như vậy, vận tốc phản ứng trong các thí nghiệm 1, 2, 3, 4 tương ứng:

4 4a

v

v    a = 1;

3 1

9 3b

v

v    b = 2;

4 1

4 2c

v

v    c = 2 Định luật tốc độ: v = k[I]1[IO 3-]2[H+]2

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):

OHOH

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

b) Bậc phản ứng xác định được là bậc của nồng độ chất nào? Tại sao?



 = 2,410–3phút–1

Tương tự, ở thời điểm 60’: k3 = 2,49310–3 phút–1

và bị biến đổi không đáng kể sau phản ứng  bậc phản ứng là bậc của nồng độ ethylene oxide

Thí nghiệm 1: C0A= 0,012 M; C0B= 6,00 M

Thí nghiệm 2: C0A= 3,00 M; C0B= 0,01 M

Biến thiên nồng độ các chất A và B theo thời gian trong hai thí nghiệm trên được biểu diễn ở hình 1 và hình 2; nồng độ chất xúc tác CX = 1,00 M và không đổi trong suốt thời gian phản ứng

20 40

10 2 C B (mol/L)

60 0

Hình 1 Hình 2

Ở 25 oC hằng số cân bằng của phản ứng (a) là KC = 4.106 Tính thời gian cần thiết

để hệ đạt đến trạng thái cân bằng, nếu C0A= C0B= 1,00 M và Cx = 1,00 M khôngthay đổi; lúc đầu trong hệ chưa có mặt các sản phẩm của phản ứng

Đáp án

Định luật tốc độ của phản ứng có dạng chung:

v = k.CaA CbB.CxX (1)Trong thí nghiệm 1, do C0B= 6,00 M (rất dư)  k.(C )0 bB CxX = const = k' (2)  v = k'.CaA

Từ hình 1 rút ra thời gian phản ứng một nửa (t1/2) không phụ thuộc vào nồng độ

đầu của A và t1/2 = 10 (phút)  a = 1và k' = 1/2

ln2 0,693

t  10 = 6,93.10-2 (phút-1)

Tương tự trong thí nghiệm 2, do C0A= 3,00 M (rất dư)  k.(C )0 aA CxX= const = k''

với kap là hằng số tốc độ biểu kiến của phản ứng và kap=k.CxX

Như vậy phản ứng sẽ diễn ra theo quy luật động học bậc 2

Từ (2) ta có: kap = k.CxX=

2 0

C0 1 1 0 0

C x x 1-x 1-x

KC =

2 2

(1-x)

x = 4.106  x  5.10-4 (M)

Vì phản ứng là bậc 2 và C = 0A C0B= 1,00 M nên phương trình động học tíchphân có dạng:

0

1 1-

C C  kap.t 4

5.10  1

0,01155.t  t = 1,73.105 phút.Vậy ở nhiệt độ 25 oC cần tới 1,73.105 phút để phản ứng đạt được cân bằng

Câu 17:

Amoxicilin là thuốc kháng sinh có thể dùng để điều trị nhiễm khuẩn đường

hô hấp trên, đường tiết niệu… Nồng độ tối thiểu có thể kháng khuẩn là 0,04mg/1kg thể trọng Khi kê đơn cho một bệnh nhân nặng 50kg, bác sĩ kê đơn mỗi lầnuống 1 viên thuốc (có hàm lượng Amoxicilin 500 mg/1 viên) Bệnh nhân cần uốngcác viên thuốc tiếp theo cách lần đầu bao nhiêu lâu? Biết rằng chu kì bán hủy củaAmoxicilin trong cơ thể người là 61 phút Giả thiết quá trình đào thải thuốc là phảnứng bậc 1

Đáp án

Lượng thuốc tối thiểu cần duy trì trong cơ thể bệnh nhân là 50.0,04 = 2 mg

Hằng số tốc độ quá trình đào thải thuốc là 1/2

ln 2

0,011

k t

Sau khi uống viên thứ 2, lượng thuốc trong cơ thể lúc này là 502 mg

Sau khi uống viên thuốc thứ 2, thời gian để thuốc đào thải còn 2 mg là:

Cho phản ứng: A + B → C + D diễn ra trong dung dịch ở 25oC

Người ta tiến hành hai thí nghiệm với các nồng độ chất A, B khác nhau và đo nồng độ còn lại của chất A sau các khoảng thời gian khác nhau, thu được các giá trị sau:

Thí nghiệm 1: C0

A =1,27.10-2M; C0

B = 3,8 M

Thí nghiệm 2: C0

A = 2,71.10-2M;C0

B = 5,2 M