Chương V: Thuyết va chạm hoạt động đơn giản

ĐỘNG HÓA HỌC BÀI CÁC LÝ THUYẾT PHẢN ỨNG Tốc độ phản ứng hóa học tỷ lệ với số va chạm tiểu phân tham gia phản ứng Nội dung  M đ ầu  Ảnh hưở ng nhiệt độ tới tốc độ phản ứng  Thuyết va chạm hoạt động (Collision theory)  Thuyết phức chất hoạt động (activated complex theory) Mở đầu  Có yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng? Nồng độ, áp suất, nhiệt độ, chất  Trong ypứ ếu tố ảnh hưởng đó, yếu tố ảnh hưởng lớn nhất? Nhiệt độ  Tốc độ phản ứng thay đổi ta thay đổi giá trị thông số đó? Thông thường T tăng, v tăng ⇒ Vì sao? Ảnh hưởng t tới vpứ Hình 3.1A, trường hợp tốc độ tăng theo hàm mũ nhiệt độ tăng Hình 3.1B, trường hợp ứng với chất cháy nổ Ở nhiệt độ thấp nhiệt độ nổ, tốc độ bị ảnh hưởng nhiệt độ, nhiên nhiệt độ đạt điểm tới hạn, điểm cháy/nổ, tốc độ phản ứng tăng vọt Hình 3.1C trường hợp phản ứng hạt hoạt động, trường hợp phản ứng sinh học, thường xúc tác enzim, nhiệt độ tới ngưỡng, tốc độ giảm Ảnh hưởng t tới vpứ 2.1 Phương trình Van’t Hoff (1884) Theo Van’t Hoft: Hầu hết tốc độ phản ứng tăng theo nhiệt độ, tăng nhiệt độ lên 10 độ tốc độ tăng lên từ t2 −t1 2-4 lần k v T Trong đó: v1 = kT1 =γ 10 γ hệ số nhiệt độ V1 tốc độ phản ứng nhiệt độ t1 V2 tốc độ phản ứng nhiệt độ t2 Ví dụ: γ ≈ T tăng 1000C, vận tốc pứ tăng: 310 = 59049 lần Vận dụng VD Một phản ứng kết thúc 2000C sau 0,164 phút, 800C để kết thúc phản ứng cần 162,76 Tính hệ số nhiệt độ phản ứng  Giải: Vận tốc phản ứng tỉ lệ nghịch với thời gian phản ứng, vậy: t1 v = =γ t v1 T2 −T1 10 10 t1 10 162,76.60 ln γ = ln = ln = 0,916 T2 − T1 t 200 − 80 0,164  γ = 2,5 2.2 Phương trình Arrhenius Theo Arrhenius, số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ: A+B k → C+D d[A] − = k.[A].[B] dt Năm 1889, Svante Arrhenius đưa côngHằng thứcsố k có Svante Arrhenius ý nghía gì? toán học về mối liên hệ giữa T và k 1859 - 1927 k = Ae Ea − RT Trong đó: A: Hằng số đặc trưng cho phản ứng, không phụ thuộc T Ea: Năng lượng hoạt hoá phản ứng (J.mol-1) Hay hàng rào R: Hằng số khí lý tưởng; R=8,314(J.mol-1.K-1) T: Nhiệt độ phản ứng (K) 2.3 Giản đồ lượng phản ứng Xét phản ứng tổng quát: aA + bB → xX + yY Từ phương trình Arrhenius: Thế k = Ae − Ea RT Ea Vậy Ea gì? Hàng rào E chất tham gia (aA + bB) E sản phẩm (xX + yY) Tiến trình phản ứng 2.4 XÁ C ĐINH ̣ NĂNG LƯỢNG HOAT ̣ HOÁ Từ phương trình Arrhenius Lấy ln hai vế: Ở nhiệt độ T1: Ở nhiệt độ T2: k = k0 e − E RT Ea ln ( k ) = ln ( k ) − RT E ln ( k1 ) = ln ( k ) − a RT1 Ea ln ( k ) = ln ( k ) − RT2  k1  Ea  1  ln  ÷ = −  − ÷ R k  2  T1 T2  2.4 XÁ C ĐINH ̣ NĂNG LƯỢNG HOAT ̣ HOÁ Để xác hơn, người ta xác định k nhiều nhiệt độ khác E ln ( k ) = ln ( k ) − -5 -6 ln (k) -7 Ea tgϕ = − R -8 -9 -10 -11 -12 0.00185 0.00195 0.00205 0.00215 1/T (1/ K) a RT Đồ thị phụ thuộc lnk vào 1/T 0.00225 Vẽ đồ thị lnk theo 1/T, có dạng đường thẳng, hệ số góc là tgϕ = − Ea R Slide 10 Phản ứng đồng thể, đơn giản, lưỡng phân tử hệ khí lý tưởng Hai lý thuyết ảnh hưởng nhiệt độ tới tốc độ phản ứng người ta thường dựa hai học thuyết: Thuyết va chạm hoạt động  Thuyết phức chất hoạt động  Thuyết va chạm hoạt động  Thuyết va chạm hoạt động (Collision theory) khẳng định nguyên tử, phân tử hay ion phải va chạm với để gây phản ứng: Thuyết va chạm hoạt động 3.1 Nội dung Thuyết va chạm hoạt động 3.1 Nội dung Vật chất xem vi hạt chuyển động chúng va chạm với Khi nhiệt độ tăng hạt chuyển động nhan hơn, va chạm thường xuyên với lượng lớn Trong phản ứng hóa học, liên kết cũ bị phá vỡ để hình thành liên kết Năng lượng hình thành liên kết lấy từ lượng va chạm Các va chạm phải hướng va chạm có lượng đủ lớn gây phản ứng Trên giản đồ lượng diện tích phần đồ thị biểu diễn số lượng hạt có lượng va cham E E* EOS E* ↓→ số tiểu phân hoạt động ↑→ v↑ 3.2 Tính số va chạm Xét trường hợp có cầu A đứng yên, nB cầu B chuyển động phía A với vận tốc trung bình u Theo thuyết động học phân tử khí: u = (8kBT/πμ)1/2 Trong T nhiệt độ (K), kB số Boltzmann, μ khối lượng rút gọn 1/μ = 1/mA + 1/mB Theo thuyết va chạm ta có: Tốc độ = (Tần số va chạm)×(phần va chạm có E > E*) = ZAB × F Với ZAB = u × σAB × nA × nB σAB = π (rA+ rB)2 thiết diện va chạm 3.2 Tính số va chạm Trong trường hợp phản ứng A + A → sản phẩm Z AA     16 RT RT 2 =  σ n = σ n ÷ AA A  ÷ AA A 2 πMA  πMA  Ví dụ: Xét cm3 khí H2 atm 300 K, H2 có đường kính va chạm 0,21 nm (=2,1.10-8 cm) ta tính tần số va chạm khoảng 1,8 × 1029 va chạm.s-1.cm-3 Nếu va chạm dẫn tới phản ứng mol khí 6,02 × 1023 phân tử x 1,8 × 1029 va chạm/s 3.2 Tính số va chạm Phản ứng XY + Z → X + YZ theo thuyết va chạm hoạt động Do phải xét tới phần (F) - phân tử có lượng từ Ea trở lên – phần diện tích phía đường cong ∞ F ( E) = ∫e − E* RT E RT Tính tích phân F, ta có: F =e − E* RT dE v = Z AB F  8k B T  =πd  ÷ nA nB e  πµ  2 − Ea RT 3.3 Mối quan hệ EA e* Từ thuyết va chạm hoạt động, ta có: E* −   k T v = k C A C B = π d  B ÷ n A nB e RT  πµ  E* −   k T ⇔ k = π d  B ÷ e RT  πµ   8k B Ea 1 E * E* ⇔ ln k = ln(π d ) + ln  ⇔ ÷+2 =ln T − − 2  πµ RT 2T RT RT E * ⇔ Ea − E* = RT E k = +0 + ⇔−ln − Ea RT 2T k = Ae ⇔ ln k = ln A − RT RT thường E*n → ∆ H > Hiệu ứng nhiệt phản ứng (∆H = E*t –E*n ) k = Ze E* − RT e ∆S* R Phức chất hoạt động CO+NO2 ↔ CO2+NO E*n=360kJ = E*CO2 +E*NO EOS Hằng số tốc độ k Biểu thức tính: k = A.e E* − RT A = Ze ∆S* R E*= ∆ HPCHD - ∆ k =Ze e HTG ∆S*=SPCHD – STG E* ↓ k ↑ T ↑ k ↑ ∆S* ↑ k ↑ Pư có ∆G < →thực tế không xảy thường tăng k cách T ↑ , E* ↓ (xúc tác) E* − RT ∆ S* R [...]... thể, đơn giản, lưỡng phân tử của hệ khí lý tưởng Hai lý thuyết ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng người ta thường dựa trên hai học thuyết: Thuyết va chạm hoạt động  Thuyết phức chất hoạt động  3 Thuyết va chạm hoạt động  Thuyết va chạm hoạt động (Collision theory) khẳng định rằng các nguyên tử, phân tử hay ion phải va chạm với nhau để có thể gây ra phản ứng: 3 Thuyết va chạm hoạt động 3.1... Nội dung 3 Thuyết va chạm hoạt động 3.1 Nội dung 1 Vật chất được xem như những vi hạt chuyển động và chúng va chạm với nhau 2 Khi nhiệt độ tăng các hạt này sẽ chuyển động nhan hơn, va chạm thường xuyên hơn và với năng lượng lớn hơn 3 Trong phản ứng hóa học, các liên kết cũ sẽ bị phá vỡ để hình thành liên kết mới 4 Năng lượng hình thành liên kết mới lấy từ năng lượng của va chạm 5 Các va chạm phải đúng... khí H2 ở 1 atm và 300 K, H2 có đường kính va chạm là 0,21 nm (=2,1.10-8 cm) ta tính được tần số va chạm bằng khoảng 1,8 × 1029 va chạm. s-1.cm-3 Nếu mỗi va chạm đều dẫn tới phản ứng thì 1 mol khí 6,02 × 1023 phân tử x 1,8 × 1029 va chạm/ s 3.2 Tính số va chạm Phản ứng XY + Z → X + YZ theo thuyết va chạm hoạt động Do đó phải xét tới phần (F) - các phân tử có năng lượng từ Ea trở lên – là phần diện tích... = 1/mA + 1/mB Theo thuyết va chạm ta có: Tốc độ = (Tần số va chạm) ×(phần va chạm có E > E*) = ZAB × F Với ZAB = u × σAB × nA × nB σAB = π (rA+ rB)2 là thiết diện va chạm 3.2 Tính số va chạm Trong trường hợp phản ứng A + A → sản phẩm 1 Z AA 1 2     1 16 RT RT 2 2 =  σ n = 2 σ n ÷ AA A  ÷ AA A 2 πMA  πMA  Ví dụ: Xét 1 cm3 2 khí H2 ở 1 atm và 300 K, H2 có đường kính va chạm là 0,21 nm (=2,1.10-8... 3 Thuyết va chạm hoạt động 3.4 ảnh hưởng của sự định hướng Sự định hướng không gian giữa các tiểu phân va chạm cũng ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng I- + CH3 –Br → I…… CH3…….Br →I_ CH3 +BrChất phản ứng Sản phẩm trung gian Định hướng không thuận lợi Sản phẩm Định hướng thuận lợi Đưa vào thừa số định hướng P ≤ 1với kTN = P.k LT EOS Định hướng không gian Va chạm có hiệu quả Va chạm không hiệu quả 23 4 Thuyết. .. Các va chạm phải đúng hướng và chỉ va chạm có năng lượng đủ lớn mới gây ra phản ứng 6 Trên giản đồ năng lượng diện tích phần dưới đồ thị biểu diễn số lượng hạt có cùng năng lượng va cham E E* EOS E* ↓→ số tiểu phân hoạt động ↑→ v↑ 3.2 Tính số va chạm Xét trường hợp có một quả cầu A đứng yên, nB quả cầu B chuyển động về phía A với vận tốc trung bình u Theo thuyết động học phân tử khí: u = (8kBT/πμ)1/2... chạm có hiệu quả Va chạm không hiệu quả 23 4 Thuyết phức chất hoạt động  Do Eiring(Ayring), Polani( Polanyi) và Evans xây dựng(1935)  Một phức chất hoạt động là một nhóm các nguyên tử được tạo ra một cách tạm thời, không bền vững trong đó, liên kết cũ bị phá vỡ để hình thành liên kết mới 4 Thuyết phức chất hoạt động E*=HPCHD-Hcđ → năng lượng hoạt hoá ∆S*=SPCHD - Scđ → định hướng kgian E*CO +E*NO2 =E*t=134kJ... phần diện tích phía dưới đường cong ∞ F ( E) = ∫e − E* RT E RT Tính tích phân F, ta có: F =e − E* RT dE v = Z AB F 1  8k B T  =πd  ÷ nA nB e  πµ  2 2 − Ea RT 3.3 Mối quan hệ EA và e* Từ thuyết va chạm hoạt động, ta có: 1 E* 2 −   8 k T v = k C A C B = π d 2  B ÷ n A nB e RT  πµ  1 E* 2 −   8 k T ⇔ k = π d 2  B ÷ e RT  πµ  1  8k B Ea 1 1 E * E* 2 ⇔ ln k = ln(π d ) + ln  ⇔ ÷+2 =ln T... E*=HPCHD-Hcđ → năng lượng hoạt hoá ∆S*=SPCHD - Scđ → định hướng kgian E*CO +E*NO2 =E*t=134kJ E*t< E*n → ∆ H < 0 E*t> E*n → ∆ H > 0 Hiệu ứng nhiệt của phản ứng (∆H = E*t –E*n ) k = Ze E* − RT e ∆S* R Phức chất hoạt động CO+NO2 ↔ CO2+NO E*n=360kJ = E*CO2 +E*NO EOS Hằng số tốc độ k Biểu thức tính: k = A.e E* − RT A = Ze ∆S* R E*= ∆ HPCHD - ∆ k =Ze e HTG ∆S*=SPCHD – STG E* ↓ thì k ↑ T ↑ thì k ↑ ∆S* ↑ thì k ↑ Pư... nhiệt độ đủ lớn nhưng không lớn quá Ví dụ, nếu T = 300 K, ta thu được giá trị 1/T = 0,00333 K-1 Nếu T = 305 K, 1/T = 0,00328 K-1 ⇒ thông thường khoảng nhiệt độ thực hiện các thí nghiệm xác định năng lượng hoạt hoá phải khoảng ít nhất là 20 – 25o với 5 số liệu k thực nghiệm trở lên Vận dụng Ví dụ: xác định năng lượng hoạt hoá của phản ứng (J/mol) Vận tốc phản ứng được nghiên cứu tại hai