Định luật vận tốc chất phản ứng

Chương 2: Định luật vận tốc (Định luật tác dụng khối lượng) Biên soạn: Nguyễn Đình Minh Tuấn 2.1 Phương trình tổng quát định luật vận tốc ❖ Định luật vận tốc biểu diễn phụ thuộc vận tốc phản ứng vào nồng độ chất phản ứng Cho phản ứng tổng quát: aA + bB + cC → products Biểu thức định luật vận tốc: r = k [A]X [B]Y [C]Z k: số vận tốc (rate constant) x, y, z : bậc phản ứng theo A, B, C x+ y + z: bậc phản ứng tổng 2.1 Phương trình tổng quát định luật vận tốc Biểu thức định luật vận tốc: r = k [A]X [B]Y [C]Z x, y, z : bậc phản ứng theo A, B, C Bậc phản ứng: - Là số mũ tham gia vào phương trình vận tốc - Thu từ kết nghiên cứu động học thực nghiệm - Bậc phản ứng phụ thuộc vào chất, chế loại phản ứng 2.1 Phương trình tổng quát định luật vận tốc ❖ Định luật vận tốc xác định thực nghiệm ❖ Bậc phản ứng xác định theo nồng độ chất phản ứng (không phải theo sản phẩm) ❖ The order of a reactant is not related to the stoichiometric coefficient of the reactant in the balanced chemical equation 2.1 Phương trình tổng quát định luật vận tốc ❖Đối với phản ứng pha khí, sử dụng PA thay cho [A] ❖Mỗi phản ứng biểu diễn định luật vận tốc 2.1 Phương trình tổng quát định luật vận tốc ❖Ví dụ: For example, the rate law is: rate = k.[Br-].[BrO3-].[H+] for Br- + BrO3- + H+ → 3Br2 + H2O The reaction is 1st order wrt all three reactants, total order 2.1 Định luật vận tốc ❖ Hằng số k giá trị riêng biệt cho phản ứng ❖ k xác định thực nghiệm r = k [F2][ClO2] k : cho phản ứng giá trị thay đổi theo nhiệt độ 2.1 Phương trình tổng quát định luật vận tốc ❖Cách xác định bậc phản ứng: Initial reaction rate Dựa vào vận tốc ban đầu Dựa vào phương trình vi phân định luật vận tốc Differential equation of rate law Dựa vào thời gian bán phản ứng Half-life Phương pháp cô lập Isolation method 2.2 Vận tốc ban đầu ❖Là vận tốc tức thời thời điểm bắt đầu phản ứng ❖Vì dựa vào vận tốc ban đầu? ▪ Dễ dàng xác định nồng độ tác chất  Vì khơng có diện sản phẩm  Tốc độ phản ứng không bị ảnh hưởng hình thành sản phẩm 2.2 Vận tốc ban đầu ❖Ví dụ 1: F2 (g) + 2ClO2 (g) → 2FClO2 (g) [F2] (M) [ClO2] (M) r0 (M/s) 0.10 0.010 1.2 × 10-3 0.10 0.040 4,8 × 10-3 0.20 0.010 2,4 × 10-3 rate = k.[F2]x.[ClO2]y & =► Vận tốc tăng gấp [F2] gấp đôi & =► Vận tốc tăng gấp bốn [ClO2] gấp bốn lần rate = k.[F2].[ClO2] 10 2.3 Phương trình vi phân định luật vận tốc Thời gian bán phản ứng – Phản ứng bậc ❖ Thời gian bán phản ứng t1/2 chất phản ứng thời gian cần thiết để nồng độ chất giảm nửa so với giá trị ban đầu ln[A] = ln[A]0 - kt  At ln A0 = − kt A0 t = ln k  At Khi t=t1/2 [A]t=1/2[A]0 t1 /  A0 1 = ln = ln k 1  k A0 ln2=0,693 22 2.3 Phương trình vi phân định luật vận tốc Thời gian bán phản ứng – Phản ứng bậc ❖ What is the half-life of N2O5 if it decomposes with a rate constant of 5.7 x 10-4 s-1? Thời gian bán phản ứng nồng độ tác chất Thời gian bán phản ứng phản ứng bậc đặc trưng cho phản ứng độc lập với nồng độ ban đầu Phản ứng có số tốc độ lớn thời gian bán phản ứng ngắn 23 2.3 Phương trình vi phân định luật vận tốc Phản ứng bậc 1– First order reaction 24 2.3 Phương trình vi phân định luật vận tốc Phản ứng bậc ❖ A → product Vận tốc tiêu thụ A : k[A]2 −  A t d A = k[A] dt d  A = − k  dt = − kt   A 0  A t r A= d A rA = − dt d A = − kdt A 1 = + kt At A0  A0 At = + kt A0 y = mx + b [A] is the concentration of A at any time t [A]0 is the concentration of A at time t=0 25 2.3 Phương trình vi phân định luật vận tốc Thời gian bán phản ứng – Phản ứng bậc ❖Thời gian bán phản ứng Bậc Bậc Bậc Hằng số k lớn vận tốc phụ thuộc vào nồng độ tác chất Đường màu xám nằm đường cong phản ứng bậc có tốc độ ban đầu với phản ứng bậc Bậc 26 2.3 Phương trình vi phân định luật vận tốc Thời gian bán phản ứng – Phản ứng bậc 27 2.3 Phương trình vi phân định luật vận tốc Phản ứng bậc ❖ A → product Vận tốc tiêu thụ A : d  A − =k dt rA =k[A]0 =k d A rA = − dt Vận tốc số [A] is the concentration of A at any time t [A] = [A]0 - kt [A]0 is the concentration of A at time t=0 y = mx + b 28 Tóm tắt Bậc phản ứng Định luật vận tốc r=k r=k[A]2 r=k[A] At Phương trình [A]t=-kt+[A]0 [A]t=[A]0.e-kt 1 = + kt At A0 -k -k 1/[A]t ln [A]t [A]t A0 + kt A0 = ln [A]0 [A]0 Đồ thị k 1/[A]0 t Hệ số góc t1/2 t t -k t1 / = -k A0 2k t1 / = ln 0,693  k k k t1 / = k  A0 29 III Rate Law - Rate Constant & Units Note: Assume time is in seconds (s) Rate = k [A]x Solve for k & plug in units; k = Rate / [A]x Overall Rxn Order, x zero first second third Units for k Ms-1 s-1 M-1s-1 M-2s-1 Variation of Reaction rates and Order 2nd order, rate = k [A]2 rate First order, rate = k [A] k = rate, 0th order [A] = _? [A] The variation of reaction rates as functions of concentration for various order is interesting Mathematical analysis is an important scientific tool, worth 15 Chemical Kinetics noticing 31 ❖Ví dụ : Khi nung nóng cyclopropane (C3H6) 500°C, chuyển thành đồng phân propene Các số liệu thực nghiệm sau cho biết nồng độ cyclopropane theo thời gian sau thực phản ứng Anh/chị khẳng định phản ứng bậc theo C3H6 tính số vận tốc t (min) [C3H6]t 1,5 × 10-3 1,24 × 10-3 10 15 1,0 × 10-3 0,83 × 10-3 (mol.L-1) 32 2.3 Phương trình vi phân định luật vận tốc Phản ứng bậc thứ N d  A n rA = − = k f  A dt  A    A d  A = −k f n A  1  − = kft  n −1 n −1  n −  At A0  t  dt Phản ứng bậc thứ n khơng có phản ứng nghịch n −1 t1/ 2 −1 = n −1 (n − 1)k f A0  33 Một số dạng khác bậc phản ứng ❖2O3 (g) → 3O2 (g) ❖Theo thực nghiệm, định luật vận tốc tìm sau: ❖r = 34 Bậc phân số ❖Ví dụ: ▪ phản ứng oxi hóa lưu huỳnh dioxyt thành lưu huỳnh tri-oxyt có mặt xúc tác Pt 2SO2 (g) + O2 (g) → SO3 (g) ❖Phản ứng có định luật vận tốc là: r = k[SO2][SO3]-1/2 ▪ Bậc tổng ½ ▪ Phản ứng chậm lại mà nồng độ sản phẩm tăng 35 ❖ Trong phần này, học viên cần (tt): + Nắm biểu diễn đồ thị kết phương trình vi phân trường hợp bậc 1, bậc bậc + Xác định bậc phản ứng dựa vào phương trình vi phân định luật vận tốc - Phạm vi áp dụng - Khi phản ứng bậc 1, bậc bậc - Thời gian bán phản ứng trường hợp + Từ đó, xác định k đơn vị k 36 ... tổng quát định luật vận tốc ❖ Định luật vận tốc biểu diễn phụ thuộc vận tốc phản ứng vào nồng độ chất phản ứng Cho phản ứng tổng quát: aA + bB + cC → products Biểu thức định luật vận tốc: r =... đầu với phản ứng bậc Bậc 26 2.3 Phương trình vi phân định luật vận tốc Thời gian bán phản ứng – Phản ứng bậc 27 2.3 Phương trình vi phân định luật vận tốc Phản ứng bậc ❖ A → product Vận tốc tiêu... gian bán phản ứng phản ứng bậc đặc trưng cho phản ứng độc lập với nồng độ ban đầu Phản ứng có số tốc độ lớn thời gian bán phản ứng ngắn 23 2.3 Phương trình vi phân định luật vận tốc Phản ứng bậc