Động học hóa học – hóa lý hệ phân tán

HĨA LÝ Động học hóa học – hóa lý hệ phân tán Nguyễn Đình Minh Tuấn Khoa Hóa – Đại học bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tài liệu tham khảo ❖ Principes de Chimie – Atkins P.W., Deoeck & Larcier s 2008, ISBN: 978-2-8041-5508-7 ❖ Hóa lý Hóa Keo, Nguyễn Hữu Phú, Nhà Xuất Khoa học Kỹ thuật, 2003 ❖ Physical Chemistry, Third Edition, Robert G Mortimer Elsevier Inc., 2008 ❖ Physical Chemistry – Understanding our Chemical Wo Paul Monk, John Wiley & Sons, Ltd, 2004 Phần Động học hóa học Tại phải nghiên cứu động hóa học? C6H12O6 + 6O2 →6CO2 + 6H2O + Q ΔG° = -2,885 kJ/mol Thermodynamically favorable With such a thermodynamically favorable process, why doesn’t candy explode into CO2 and H2O when exposed to air ? KINETICS Glucose oxidation is slow The body uses protein catalysts called enzymes to speed up the reactions Tại phải nghiên cứu động hóa học? H2(g) + 1/2O2(g) = H2O(l) Go298(r)=-254,8 kJ.mol-1 Nhiệt động học: ▪ Phản ứng diễn theo chiều nào? Động hóa học: ▪ Tốc độ phản ứng bao nhiêu? ▪ Bản chất hay chế phản ứng? Tại phải nghiên cứu động hóa học? ❖ Động hóa học mơn học nghiên cứu tốc độ chế trình hóa học  Ở cấp độ vĩ mơ: cho phép mơ hình hóa q trình hóa học thực tế ❖ Nghiên cứu động học: ➔Năng suất cơng nghệ q trình Một số khái niệm ❖ - Tốc độ phản ứng (Reaction rates) ❖ - Định luật vận tốc (Định luật tác dụng khối lượng) (Rate Law) ❖ - Bậc phản ứng (Reaction Order) ❖ - Half-life: Thời gian bán phản ứng ❖ - Phản ứng nguyên tố (Elementary step) ❖ - Phân tử số (Molecularity) ❖ - Cơ chế phản ứng (Reaction Mechanism) ❖ - Lý thuyết va chạm (The Collision Theory) ❖ - Năng lượng hoạt hóa (Activation Energy) ❖ - Xúc tác (Catalyst) Sơ lược nội dung Vận tốc phản ứng ▪ Vận tốc phản ứng gì? ▪ Vì phải nghiên cứu vận tốc phản ứng? ▪ Cách tính vận tốc phản ứng sao? Định luật vận tốc ▪ Vận tốc phản ứng tuân theo quy luật nào? ▪ Bậc phản ứng gì? Tại phải nghiên cứu bậc phản ứng? Xác định bậc phản ứng nào? ▪ Hằng số vận tốc? Sự phụ thuộc vận tốc vào nhiệt độ Cơ chế phản ứng Động học phân tử ▪ Tại phản ứng xảy ra? ▪ Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng? Outline CHƯƠNG VẬN TỐC PHẢN ỨNG Phản ứng đồng thể đơn giản 10 Vận tốc phản ứng Vận tốc trung bình phản ứng (average reaction rate) aA + bB → cC + dD A B  C  D  r=− =− = = a t b t c t d t 17 Vận tốc phản ứng Vận tốc trung bình phản ứng (average reaction rate) ❖Write the rate expression for the following reaction CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O (g) 18 Vận tốc phản ứng Vận tốc tức thời phản ứng (Instantaneous Rate of Reaction) Vận tốc tức thời ↔ Hệ số góc tiếp tuyến 19 Ví dụ 1: Br2 (aq) + HCOOH (aq) → 2Br- (aq) + 2H+ (aq) + CO2 (g) 20 Ví dụ 1: Br2 (aq) + HCOOH (aq) → 2Br- (aq) + 2H+ (aq) + CO2 (g) 0.012 Time (s) [Br2] (M) 0.01200 50 0.01010 100 0.00846 150 0.00710 200 0.00596 250 0.00500 300 0.00420 350 0.00353 400 0.00296 0.010 [Br2] (M) Rate at 100s 2,96×10-5 M/s Rate at 100s 2,09×10-5 M/s 0.008 0.006 0.004 Rate at 100s 1,48×10-5 M/s slope of tangent 0.002 0.000 100 200 Time (s) 300 400 21 Ví dụ 1: Br2 (aq) + HCOOH (aq) → 2Br- (aq) + 2H+ (aq) + CO2 (g) Rate (M/s) Biểu diễn vận tốc ~ [Br2] k (s-1) 5.00E-05 0.01200 4.20 × 10-5 3.50 × 10-3 50 0.01010 3.52 × 10-5 3.49 × 10-3 100 0.00846 2.96 × 10-5 3.50 × 10-3 150 0.00710 2.49 × 10-5 3.51 × 10-3 200 0.00596 2.09× 10-5 10-3 250 0.00500 1.75 × 10-5 3.50 × 10-3 300 0.00420 1.48 × 10-5 3.52 × 10-3 350 0.00353 1.23 × 10-5 3.48 × 10-3 400 0.00296 1.04 × 10-5 3.51 × 10-3 3.51 × Rate (M/s) Time (s) [Br2] (M) 4.00E-05 3.00E-05 2.00E-05 1.00E-05 0.00E+00 0.000 0.005 0.010 0.015 [Br2] (M) 22 ❑Study of rates is useful since the results will: 1) Indicate how to manipulate factors to control the reaction 2) Lead to the mechanism of the reaction 3) Indicate time needed to get a given amount of product 4) Indicate amount of product in a given amount of time 23 Ví dụ 2: Xác định vận tốc phản ứng To measure reaction rate, we measure the concentration of either a reactant or product at several time intervals The concentrations are measured using spectroscopic method or pressure (for a gas) For example, the total pressure increases for the reaction: barometer N2O5 (g) → NO2 (g) + O2(g) Because moles of gas products are produced from moles of gas reactants For the reaction: CaCO3 (s) → CaO(s) + CO2 (g) The increase in gas pressure is entirely due to CO2 formed 24 Ví dụ 2: Xác định vận tốc phản ứng - N2O5 tinh thể cho vào bình kín gắn áp kế -Gia nhiệt 45°C, tinh thể bay N2O5 bị phân hủy 2N2O5(g)→ 4NO2(g) + O2(g) - Đọc giá trị áp suất áp kế => biết áp suất riêng phần (hay nồng độ) N2O5 q trình phản ứng 25 Ví dụ 2: Xác định vận tốc phản ứng NO + O2 (g) = NO2 (g) [O2] [NO] [NO2] Reaction rate = – ——— = – — ———— = — ——— t t t Make sure you can write expressions for any reaction and figure out the relationships For example, give the reaction rate expressions for N2O5 = NO2 + O2 How can the rate expression be unique and universal? 26 Ví dụ 2: Xác định vận tốc phản ứng The concentrations of N2O5 are 1.24e-2 and 0.93e-2 M at 600 and 1200 s after the reactants are mixed at the appropriate temperature Evaluate the reaction rates for N2O5 = NO2 + O2 Solution: (0.93 – 1.24)e-2 – 0.31e-2 M Decomposition rate of N2O5 = – ———————— = – —————— 1200 – 600 600 s = 5.2e-6 M s-1 Note however, rate of formation of NO2 = 1.02e-5 M s-1 rate of formation of O2 = 2.6e-6 M s-1 The reaction rates are expressed in forms 27 Ví dụ 3: Xác định vận tốc phản ứng 2H2O2 (aq) →2H2O (aq) + O2 (g) 28 Ví dụ 2H2O2 (aq) →2H2O (l) + O2 (g) 29 Các phương pháp xác định nồng độ ❖ Xác định thay đổi thể tích (p=const) ❖ Xác định thay đổi áp suất (V=const) ❖ Phương pháp chuẩn độ ❖ Phương pháp quang phổ (UV-Vis, IR) ❖ Phổ khối ❖ Đo cường độ quang phổ hấp thụ (ex: AAS) ❖ Đo cường độ quang phổ phát xạ ❖ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) ❖ Đo độ dẫn điện ❖ Đo số điện môi (dielectric constant) số khúc xạ (index of refraction) ❖ Đo độ hụt khối phản ứng sinh khí 30 ❖ Trong phần này, sinh viên cần: + Hiểu tính tốn vận tốc phản ứng, vận tốc trung bình, vận tốc tức thời + Biểu diễn thay đổi nồng độ theo thời gian + Nhận dạng cách xác định vận tốc phản ứng từ thực nghiệm, thông qua thông số nồng độ, áp suất chất tham gia hay sản phẩm + Nắm chất ý nghĩa phương pháp xác định nồng độ từ thực nghiệm 31 ... nghiên cứu động hóa học? ❖ Động hóa học mơn học nghiên cứu tốc độ chế q trình hóa học  Ở cấp độ vĩ mơ: cho phép mơ hình hóa q trình hóa học thực tế ❖ Nghiên cứu động học: ➔Năng suất cơng nghệ q trình... the reactions Tại phải nghiên cứu động hóa học? H2(g) + 1/2O2(g) = H2O(l) Go298(r)=-254,8 kJ.mol-1 Nhiệt động học: ▪ Phản ứng diễn theo chiều nào? Động hóa học: ▪ Tốc độ phản ứng bao nhiêu?... Elsevier Inc., 2008 ❖ Physical Chemistry – Understanding our Chemical Wo Paul Monk, John Wiley & Sons, Ltd, 2004 Phần Động học hóa học Tại phải nghiên cứu động hóa học? C6H12O6 + 6O2 →6CO2 + 6H2O +