BÀI GIẢNG ĐỘNG hóa học CHƯƠNG 3

ĐỘNG HÓA HỌC Chemical Kinetics Hóa Đại cương A2 Chương ĐỘNG HÓA HỌC • Động hóa học tìm hiểu xem phản ứng xảy nhanh chậm • Có yếu tố quan trọng ảnh hưởng lên vận tốc: – Nồng độ tác chất – nhiệt độ – họat độ xúc tác – tính chất bề mặt • Mục đích: Tìm hiểu phản ứng hóa học mức độ phân tử nhằm mô hình hoá trình tự nhiên Hóa Đại cương A2 Chương Vận tốc phản ứng Reaction Rates • Vận tốc phản ứng đo biến thiên nồng độ theo thời gian • Xem phản ứng A→ B ∆ (nồng độ tác chất A) Vậntốc = ∆ (thời gian) • Đây biểu thức vận tốc trung bình Hóa Đại cương A2 Chương 3 Chemical Kinetics Reaction Rates Hóa Đại cương A2 Chương Vận tốc trung bình – Tại t = (time zero): 1.00 mol A (100 red spheres); 0.0 mol B – Tại t = 20 min: 0.54 mol A, 0.46 mol B – Tại t = 40 min: 0.30 mol A, 0.70 mol B – Vậy: ∆( moles of B) Vtb = ∆t ( moles of B at t = 10 ) − ( moles of B at t = ) = 10 - 0.26 mol - mol = = 0.026 mol/min 10 - Hóa Đại cương A2 Chương Chemical Kinetics Reaction Rates Hóa Đại cương A2 Chương Rates Termsbình of Concentrations Vận tốcintrung C4H9Cl(aq) + H2O(l) → C4H9OH(aq) + HCl(aq) Hóa Đại cương A2 Chương Vận tốc tức thời (instantaneous rate)  Phản ứng chậm dần theo thời gian (the average rate decreases with time)  Dựng đường tiếp tuyến đường cong biểu diễn vận tốc theo thời gian Dộ dốc tiếp tuyếncho ta vận tốc tức thời (instantaneous rate) phản ứng thời điểmđó  Dấu vận tốc phụ thuộc hệ số góc đường tiếp tuyến  Từ nói tới vận tốc nói tới vận tốc tức thời Hóa Đại cương A2 Chương Vận tốc tức thời (instantaneous rate) Rates in Terms of Concentrations Hóa Đại cương A2 Chương Chemical Kinetics Reaction Rates and Stoichiometry • For the reaction C4H9Cl(aq) + H2O(l) → C4H9OH(aq) + HCl(aq) we know ∆[ C4 H 9Cl ] ∆[ C4 H 9OH ] Rate = − = ∆t ∆t • In general for aA + bB → cC + dD ∆[ A ] ∆ [ B ] ∆ [ C] ∆ [ D] Rate = − =− = = a ∆t b ∆t c ∆t d ∆t Hóa Đại cương A2 Chương 10 Catalysis • A catalyst changes the rate of a chemical reaction • There are two types of catalyst: – homogeneous, and – heterogeneous • Chlorine atoms are catalysts for the destruction of ozone Homogeneous Catalysis • The catalyst and reaction is in one phase • Hydrogen peroxide decomposes very slowly: 2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g) Hóa Đại cương A2 Chương 44 Catalysis Homogeneous Catalysis 2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g) • In the presence of the bromide ion, the decomposition occurs rapidly: – 2Br-(aq) + H2O2(aq) + 2H+(aq) → Br2(aq) + 2H2O(l) – Br2(aq) is brown – Br2(aq) + H2O2(aq) → 2Br-(aq) + 2H+(aq) + O2(g) – Br- is a catalyst because it can be recovered at the end of the reaction • Generally, catalysts operate by lowering the activation energy for a reaction Hóa Đại cương A2 Chương 45 Catalysis Homogeneous Catalysis Hóa Đại cương A2 Chương 46 Catalysis Homogeneous Catalysis • Catalysts can operate by increasing the number of effective collisions • That is, from the Arrhenius equation: catalysts increase k be increasing A or decreasing Ea • A catalyst may add intermediates to the reaction • Example: In the presence of Br-, Br2(aq) is generated as an intermediate in the decomposition of H2O2 • When a catalyst adds an intermediate, the activation energies for both steps must be lower than the activation energy for the uncatalyzed reaction Hóa Đại cương A2 Chương 47 Catalysis Heterogeneous Catalysis • The catalyst is in a different phase than the reactants and products • Typical example: solid catalyst, gaseous reactants and products (catalytic converters in cars) • Most industrial catalysts are heterogeneous • First step is adsorption (the binding of reactant molecules to the catalyst surface) • Adsorbed species (atoms or ions) are very reactive • Molecules are adsorbed onto active sites (red spheres) on the catalyst surface Hóa Đại cương A2 Chương 48 Catalysis Heterogeneous Catalysis Hóa Đại cương A2 Chương 49 Catalysis Heterogeneous Catalysis • Consider the hydrogenation of ethylene: C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g), ∆H = -136 kJ/mol – The reaction is slow in the absence of a catalyst – In the presence of a metal catalyst (Ni, Pt or Pd) the reaction occurs quickly at room temperature – First the ethylene and hydrogen molecules are adsorbed onto active sites on the metal surface – The H-H bond breaks and the H atoms migrate about the metal surface Hóa Đại cương A2 Chương 50 Catalysis Heterogeneous Catalysis • Consider the hydrogenation of ethylene: C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g), ∆H = -136 kJ/mol – When an H atom collides with an ethylene molecule on the surface, the C-C π bond breaks and a C-H σ bond forms – When C2H6 forms it desorbs from the surface – When ethylene and hydrogen are adsorbed onto a surface, less energy is required to break the bonds and the activation energy for the reaction is lowered Hóa Đại cương A2 Chương 51 Catalysis Enzymes • Enzymes are biological catalysts • Most enzymes are protein molecules with large molecular masses (10,000 to 106 amu) • Enzymes have very specific shapes • Most enzymes catalyze very specific reactions • Substrates undergo reaction at the active site of an enzyme • A substrate locks into an enzyme and a fast reaction occurs Hóa Đại cương A2 Chương 52 Catalysis Enzymes Hóa Đại cương A2 Chương 53 Catalysis Enzymes • The products then move away from the enzyme • Only substrates that fit into the enzyme lock can be involved in the reaction • If a molecule binds tightly to an enzyme so that another substrate cannot displace it, then the active site is blocked and the catalyst is inhibited (enzyme inhibitors) • The number of events (turnover number) catalyzed is large for enzymes (103 - 107 per second) Hóa Đại cương A2 Chương 54 Catalysis Nitrogen Fixation and Nitrogenase • Nitrogen gas cannot be used in the soil for plants or animals • Nitrogen compounds, NO3, NO2-, and NO3- are used in the soil • The conversion between N2 and NH3 is a process with a high activation energy (the N≡N triple bond needs to be broken) • An enzyme, nitrogenase, in bacteria which live in root nodules of legumes, clover and alfalfa, catalyses the reduction of nitrogen to ammonia Hóa Đại cương A2 Chương 55 Catalysis Nitrogen Fixation and Nitrogenase Hóa Đại cương A2 Chương 56 Catalysis Nitrogen Fixation and Nitrogenase • The fixed nitrogen (NO3, NO2-, and NO3-) is consumed by plants and then eaten by animals • Animal waste and dead plants are attacked by bacteria that break down the fixed nitrogen and produce N2 gas for the atmosphere Hóa Đại cương A2 Chương 57 Chemical Kinetics End of Chapter 14 Hóa Đại cương A2 Chương 58 [...]... lượng họat hóa (activation energy) Ea  Khi nối C-N bị gãy, phần N≡C có khả năng tiếp tục xoay tạo nên nối mới C-C≡N Hóa Đại cương A2 Chương 3 30 Activation Energy Hóa Đại cương A2 Chương 3 31 Activation Energy • Sự thay đổi năng lượng của phản ứng là sự chênh lệch năng lượng giữa CH3NC và CH3CN • Năng lượng hoạt hóaThe activation energy is the difference in energy between reactants, CH3NC and transition... exothermic (CH3NC → CH3CN), then the reverse reaction is endothermic (CH3CN → CH3NC) Hóa Đại cương A2 Chương 3 32 Temperature and Rate Activation Energy • Consider the reaction between Cl and NOCl: – If the Cl collides with the Cl of NOCl then the products are Cl2 and NO – If the Cl collided with the O of NOCl then no products are formed • We need to quantify this effect Hóa Đại cương A2 Chương 3 33 Temperature... tăng do k tăng Hóa Đại cương A2 Chương 3 22 nhiệt độ và vận tốc Hóa Đại cương A2 Chương 3 23 nhiệt độ và vận tốc • Xét phản ứng bậc nhất: CH3NC → CH3CN  Khi nhiệt độ tăng từ 190 °C lên 250 °C, hằng số vận tốc tăng từ 2.52 × 10-5 s-1 lên 3. 16 × 10 -3 s-1 • Tại sao ảnh hưởng của nhiệt độ lại lớn như vậy? Hóa Đại cương A2 Chương 3 24 Thuyết va chạm (The Collision Model) • Từ những quan sát cho thấy vận tốc... sản phẩm Hóa Đại cương A2 Chương 3 27 Năng lượng họat hóa (Activation Energy) Theo Arrhenius: Các phân tử phải sở hữu một năng lượng tối thiểu nào đó thì phản ứng mới xảy ra Tại sao? Vì: • Để tạo thành sản phẩm, phải có quá trình đứt nối xảy ra ở tác chất • Quá trình đứt nối cần năng lượng Năng lượng họat hóa Ea là năng lượng tối thiểu để khơi mào một phản ứng hóa học Hóa Đại cương A2 Chương 3 28 Activation... t1/2 Hóa Đại cương A2 Chương 3 18 The Change of Concentration with Time Phản ứng bậc hai đơn giản • Cho phản ứng bậc hai với chỉ một tác chất A 1 1 = kt + [ A] t [ A] 0 • Đường biểu diễn 1/[A]t theo t là một đường thẳng với độ dốc k và tung độ gốc 1/[A]0 • Đường biểu diễn của ln[A]t theo t không phải là đường thẳng Hóa Đại cương A2 Chương 3 19 Phản ứng bậc hai đơn giản Hóa Đại cương A2 Chương 3 20... mào một phản ứng hóa học Hóa Đại cương A2 Chương 3 28 Activation Energy Hóa Đại cương A2 Chương 3 29 Activation Energy Xem quá trình sắp xếp nối của acetonitrile: H3C N C H3C N C H3C C N  Trong H3C-N≡C, nối C-N≡C biến dạng cho đến khi nối C-N bị gãy và phần N≡C gắn ngược lại vào phần H3C Dạng cấu trúc này gọi là phức chất họat động (activated complex) hay trạng thái chuyển tiếp (transition state) ... do not have a lot of data, then we can use Hóa Đại cương A2 Chương 3 35 Temperature and Rate The Arrhenius Equation • If we have a lot of data, we can determine Ea and A graphically by rearranging the Arrhenius equation: Ea ln k = − + ln A RT • If we do not have a lot of data, then we can use k1 Ea  1 1  ln =  −  k2 R  T2 T1  Hóa Đại cương A2 Chương 3 36 ... kt + ln[ A ] 0 Hóa Đại cương A2 Chương 3 16 Bán sinh phản ứng (Half-Life) t1/2 • Half-life t1/2 là thời gian để nồng độ tác chất giảm còn một nửa so với ban đầu • Tức là half life, t1/2 , là thời gian để nồng độ tác chất A giảm từ [A]0 xuống ½[A]0 • Biểu thức của t1/2 t1 = − 2 ln 1 k 2 = 0.6 93 k  half life, t1/2 , không phụ thuộc nồng độ đầu của tác chất [A]o Hóa Đại cương A2 Chương 3 17 Bán sinh phản... A và B Hóa Đại cương A2 Chương 3 21 Sự biến đổi của vận tốc theo nhiệt độ • Hầu hết các phản ứng đều xảy ra nhanh hơn khi tăng nhiệt độ (VD thực phẩm bị hư khi không được trữ lạnh.) • Do trong biểu thức vận tốc không chứa đại lượng đặc trưng cho nhiệt độ, đại lượng này phải được chứa trong k • Nhiệt độ tăng làm vận tốc phản ứng tăng do k tăng Hóa Đại cương A2 Chương 3 22 nhiệt độ và vận tốc Hóa Đại... những kết quả quan sát này The collision model: • Để phản ứng xảy ra, các phân tử phải va chạm đủ mạnh với nhau • Số lần va chạm càng nhiều, vận tốc phản ứng càng lớn Hóa Đại cương A2 Chương 3 25 The Collision Model Hóa Đại cương A2 Chương 3 26 The Collision Model • Số phân tử hiện diện càng nhiều, khả năng va chạm càng lớn, vận tốc càng lớn • Nhiệt độ càng cao, các phân tử càng sở hữu nhiều năng lượng, ... họat hóa Ea lượng tối thiểu để khơi mào phản ứng hóa học Hóa Đại cương A2 Chương 28 Activation Energy Hóa Đại cương A2 Chương 29 Activation Energy Xem trình xếp nối acetonitrile: H3C N C H3C N... tăng làm vận tốc phản ứng tăng k tăng Hóa Đại cương A2 Chương 22 nhiệt độ vận tốc Hóa Đại cương A2 Chương 23 nhiệt độ vận tốc • Xét phản ứng bậc nhất: CH3NC → CH3CN  Khi nhiệt độ tăng từ 190 °C... nối lượng họat hóa (activation energy) Ea  Khi nối C-N bị gãy, phần N≡C có khả tiếp tục xoay tạo nên nối C-C≡N Hóa Đại cương A2 Chương 30 Activation Energy Hóa Đại cương A2 Chương 31 Activation