Các thí nghiệm để giới thiệu cho học sinh về sự phụ thuộc nhiệt độ của tốc độ phản ứng

CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ GIỚI THIỆU CHO HỌC SINH VỀ SỰ PHỤ THUỘC NHIỆT ĐỘ CỦA TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG Đó là một thách thức trong giáo dục hóa học để hiểu các nguyên tắc cơ bản của động học phản ứng hóa học trên cơ s.

CÁC THÍ NGHIỆM ĐỂ GIỚI THIỆU CHO HỌC SINH VỀ SỰ PHỤ

THUỘC NHIỆT ĐỘ CỦA TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

Đó là một thách thức trong giáo dục hóa học để hiểu các nguyên tắc cơ bản của động học phản ứng hóa học trên cơ sở thực nghiệm do thiết lập thí nghiệm tương đối rộng rãi và chuỗi phép đo thường tốn thời gian Đóng góp này giới thiệu về lĩnh vực sự phụ thuộc nhiệt độ của tốc độ phản ứng với các thí nghiệm dễ sử dụng Các hệ thống ghi dữ liệu đã được sử dụng để có đủ bộ dữ liệu nhằm đánh giá các phép đo khác nhau trong động học phản ứng Một số thí nghiệm được thiết kế cho các khóa học thực tế về hóa học, một mặt cho phép sinh viên rút ra quy tắc van't Hoff đơn giản Mặt khác, phương trình Arrhenius chỉ có thể được suy ra trên

cơ sở dữ liệu thực nghiệm với sự trợ giúp của thông tin từ lý thuyết va chạm và phân bố Maxwell-Boltzmann

1 Giới thiệu

Lĩnh vực động học hóa học thường liên quan đến việc nghiên cứu tốc độ hoặc tốc

độ phản ứng hóa học trong các điều kiện khác nhau và diễn giải những dữ liệu này

để thu được thông tin chung về cơ chế phản ứng hóa học và trạng thái chuyển tiếp Do đó, động học hóa học là một trong những nhánh chính của hóa học vật

lý Trong lĩnh vực giáo dục, việc giới thiệu thử nghiệm chủ đề liên quan này là một thách thức đòi hỏi khắt khe với yêu cầu lớn về thời gian và nguồn lực Để tính tốc

độ phản ứng cho các phản ứng chậm hơn, người ta phải quan sát nồng độ của sản phẩm hoặc chất phản ứng theo thời gian bằng các phương pháp hóa học ướt cổ điển Đối với các phản ứng nhanh hơn, phép đo nồng độ thường được thay thế bằng các kỹ thuật phát hiện tính chất vật lý của sản phẩm hoặc chất phản ứng, chẳng hạn như độ hấp thụ ánh sáng hoặc độ dẫn điện, đó tỷ lệ thuận với nồng

độ Trong những trường hợp này, chuỗi dài phép đo liên tục với nhiều dữ liệu thử nghiệm có thể được tự động hóa bằng cách sử dụng hệ thống ghi dữ liệu kỹ thuật

số (xem, ví dụ:1 2 )

Nói chung, tốc độ của một quá trình hóa học bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, bao gồm nồng độ chất phản ứng, nhiệt độ, việc sử dụng chất xúc tác và trạng thái kết tụ của chất phản ứng Trong phần đóng góp này, chúng tôi tập trung vào ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ có tác động lớn đến tốc độ của hầu hết các phản ứng hóa học Người ta thường biết rằng các phản ứng xảy ra nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn

và chậm hơn ở nhiệt độ thấp Không khó hiểu khi nhiệt độ tăng lên, các phân tử chuyển động nhanh hơn và va chạm mạnh hơn Do đó, xác suất phân tách và sắp xếp lại các liên kết hóa học tăng lên rất nhiều

Từ quan điểm giảng dạy, hai chiến lược khác nhau có thể thành công trong việc rút

ra mối quan hệ định lượng giữa nhiệt độ và tốc độ phản ứng Một mặt, nếu kiến thức sẵn có của người học nâng cao hơn, người ta có thể dạy trực tiếp các quy tắc

và phương trình trong bài giảng và sau đó chứng minh tính đúng đắn của chúng bằng các thí nghiệm phù hợp trong các khóa học trong phòng thí nghiệm hóa học

( cách suy luận ) Một chiến lược dạy học như vậy có thể là dạy học theo định

hướng vấn đề lịch sử.3 Ý tưởng cơ bản là tái tạo lại một tình huống lịch sử và tuân theo một chiến lược giải quyết vấn đề trong bối cảnh đương đại Ví dụ, bắt đầu với phương trình van't Hoff - liên quan đến sự thay đổi hằng số cân bằng của phản ứng hóa học với sự thay đổi nhiệt độ - người ta có thể rút ra phương trình Arrhenius với

dữ liệu lịch sử từ các thí nghiệm nghịch đảo đường mía ban đầu4 Tất nhiên, phương pháp này chỉ có thể thành công nếu người học nắm vững những kiến thức

cơ bản về nhiệt động hóa học

Mặt khác, nếu kiến thức sẵn có của người học kém nâng cao, thì sẽ thuận lợi hơn khi bắt đầu dạy học hiện tượng học với một số thí nghiệm động học cơ bản và sau

đó rút ra các quy tắc và phương trình dựa trên dữ liệu thực nghiệm (cách quy

nạp ) Người học có thể tự khám phá các quy tắc và phương trình bằng thí nghiệm

bằng cách tuân theo các nguyên tắc cơ bản của chủ nghĩa xây dựng Dạy học xây dựng dựa trên niềm tin rằng việc học xảy ra bất cứ khi nào người học tích cực tham gia vào quá trình xây dựng kiến thức5 Ưu điểm là việc thu thập và giải thích dữ liệu không phải là các sự kiện riêng biệt Trong các khóa học thực tế, có thể khai thác rằng một phần quan trọng của quá trình diễn giải là những gì đã học được từ các nghiên cứu trước đó Trong phần đóng góp này, chúng tôi theo đuổi chiến lược thứ hai này

Trong bước đầu tiên, chúng tôi tập trung vào các thí nghiệm dành cho người mới

bắt đầu để rút ra một quy tắc ngón tay cái đơn giản được gọi là quy tắc vận

tốc-nhiệt độ phản ứng hoặc quy tắc van't Hoff Ngay cả khi phép tính gần đúng này chỉ

có giá trị trong phạm vi nhiệt độ hẹp của các phản ứng hóa học, quy tắc van't Hoff

có thể đủ để hiểu sâu hơn về sự phụ thuộc nhiệt độ của tốc độ phản ứng Trong bước thứ hai, chúng tôi theo đuổi các thí nghiệm để rút ra phương trình Arrhenius phức tạp hơn Để làm được điều này, người học cần có một số kiến thức chuyên môn cơ bản về lý thuyết va chạm và phân bố Maxwell-Boltzmann

2 Đạo hàm thực nghiệm của quy tắc Van't Hoff

2.1 Thông tin lai lịch

Mối tương quan đầu tiên giữa nhiệt độ và tốc độ phản ứng đã được Jacobus Henricus van't Hoff xây dựng vào năm 1884 Quy tắc của ông nói rằng nhiệt độ tăng 10°C dẫn đến tốc độ phản ứng tăng khoảng hai đến bốn lần Hệ số nhiệt

độ Q 10 cho một phản ứng hóa học cụ thể sau đó có thể được biểu thị bằng

(1)

Ở đây, và viết tắt của tốc độ phản ứng ở nhiệt độ và tính bằng Kelvin Ngay cả khi quy tắc này chỉ là một xấp xỉ sơ bộ, việc xác định hệ

số nhiệt độ không thứ nguyên Q 10 đã chứng tỏ giá trị của nó đối với việc ước tính

sự phụ thuộc nhiệt trong nhiều quá trình sinh học Để rút ra quy tắc ngón tay

cái này cho các phản ứng hóa học dựa trên các thí nghiệm, có thể sử dụng nhiều

thông số vật lý khác nhau Các ví dụ điển hình cho những thay đổi được ghi lại bằng kỹ thuật số của các đại lượng vật lý trong động học hóa học là nhiệt độ, khối lượng, độ dẫn điện, độ hấp thụ ánh sáng và độ pH

2.2 Pha màu nhiệt: Quá trình oxy hóa xúc tác của axit Tartaric với Hydrogen Peroxide

Quá trình oxy hóa axit tartaric bằng hydro peroxit là một thí nghiệm phổ biến và được thiết lập tốt trong giáo dục hóa học, có thể được sử dụng trong nhiều biểu diễn động học (xem, ví dụ,6 7 8 9 ) Hầu hết, phản ứng này được sử dụng để chứng minh tác dụng của chất xúc tác, vai trò của phức chất hoạt hóa hoặc sự tái sinh của chất xúc tác Nếu không có chất xúc tác, hàng rào kích hoạt cho phản ứng oxy hóa axit tartaric khá cao và phản ứng diễn ra rất chậm ở nhiệt độ phòng Việc bổ sung coban(II) clorua hexahydrat làm chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng một cách đáng kể Phương trình phản ứng tổng thể có thể được viết là

Tiến trình phản ứng được chứng minh bằng sự thay đổi màu sắc kèm theo sự giải phóng khí và tăng nhiệt độ do bản chất tỏa nhiệt mạnh của phản ứng Do đó, nó có thể được theo sau bởi sự hấp thụ ánh sáng, trọng lượng, hoặc bằng các phép đo nhiệt độ

2.2.1 Quy trình thí nghiệm

Dựa trên quy trình được đưa ra trong8 , 3 g kali natri tartrat

được hòa tan trong 15 ml nước cất ở 30°C trên đĩa nóng đựng trong cốc có mỏ 250

ml Trong khi chờ đợi, 20 ml hydro peroxit 30% được đun nóng đến 30°C trong cốc có mỏ 100 ml Một cặp nhiệt điện NiCr-Ni (được kết nối với hệ thống ghi dữ liệu kỹ thuật số) được nhúng vào dung dịch tartrate và 10 ml dung dịch hydro peroxide được thêm vào Quá trình đo nhiệt độ được bắt đầu và 100 mg coban(II) clorua (CoCl 2 ∙ 6 H 2 O) được thêm vào sau một phút Một loạt thí nghiệm như vậy

đã được tiến hành ở nhiệt độ ban đầu dự kiến là 30 °C, 40 °C, 50 °C, 60 °C và 70

°C bằng cách sử dụng thiết bị đo CASSY ® của LD Didactic

2.2.2 Kết quả và thảo luận

Ở các trạng thái khác nhau của phản ứng, sự thay đổi màu sắc điển hình đã được quan sát Ban đầu, việc bổ sung coban(II) clorua sẽ tạo ra dung dịch có màu hồng Màu chuyển sang xanh lục do phức hợp coban-tartrat trung gian (phức hợp Co(III) hoạt hóa) Trong giai đoạn này, phản ứng trở nên mạnh mẽ nhất, thể hiện qua quá trình sinh khí mạnh Cuối cùng, sự tái sinh của chất xúc tác được biểu thị bằng sự trở lại màu của nó về màu hồng ban đầu sau giai đoạn trung gian màu nâu Màu sắc thay đổi trong quá trình phản ứng được thể hiện trong Hình 1

•

• Hình 1 Sự thay đổi màu sắc trong quá trình oxy hóa axit tartaric (a: sau khi

thêm chất xúc tác, b: phức hoạt hóa màu xanh lá cây, c và d: tái tạo chất xúc tác)

Thoạt đầu, việc ghi lại tông nhiệt của một phản ứng hóa học để suy ra sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tốc độ phản ứng có vẻ là nghịch lý Tuy nhiên, do phản ứng tỏa nhiệt mạnh, tốc độ phản ứng tương đối có thể được xác định bằng cách đo thời gian trôi qua giữa việc bổ sung chất xúc tác và nhiệt độ tối đa Do đó, sự thay đổi nhiệt độ được đo trong quá trình phản ứng và được theo dõi ở các nhiệt độ ban đầu khác nhau Các kết quả được trình bày trong Hình 2

Như dữ liệu trong Hình 2 cho thấy rõ ràng , việc tăng nhiệt độ khoảng 10 °C sẽ làm giảm khoảng 50% thời gian phản ứng Ví dụ: tăng nhiệt độ ban đầu từ 50 °C lên 60

°C sẽ tạo ra hệ số nhiệt độ Q 10 là 1,92, phù hợp tốt với quy tắc van't Hoff Các phép đo ở nhiệt độ trên 70 °C là không thực tế do khí thoát ra mạnh khiến bọt tràn qua thành cốc

•

• Hình 2 Hồ sơ nhiệt độ cho quá trình oxy hóa xúc tác của axit tartaric ở các

nhiệt độ ban đầu khác nhau (dữ liệu bắt đầu bằng việc thêm chất xúc tác)

•

• Hình 3 So sánh ảnh nhiệt trong quá trình oxy hóa axit tartaric với các nhiệt

độ ban đầu khác nhau (cột bên trái: trạng thái ban đầu khi thêm chất xúc tác, cột giữa: khi đang chạy phản ứng và cột bên phải: ở nhiệt độ tối đa)

Là một giải pháp thay thế cho cặp nhiệt điện truyền thống, sự thay đổi nhiệt độ của phản ứng cũng có thể được ghi lại không tiếp xúc bằng camera chụp ảnh nhiệt hồng ngoại Để đảm bảo các điều kiện ghi thích hợp, thang đo hóa học phải được nhân đôi, điều này có thể gây bất lợi cho các khóa học thực hành Các kết quả được ghi lại bằng một hệ thống hình ảnh nhiệt được đặt phía trên vành cốc 10 cm được trình bày trong Hình 3 đối với nhiệt độ ban đầu là 30 °C và 65 °C Theo kết quả thu được với cặp nhiệt điện, người ta mong đợi chênh lệch nhiệt độ ban đầu là 35

°C, tốc độ phản ứng sẽ tăng theo hệ số Hệ số thu được từ hình ảnh

nhiệt đối với nhiệt độ cực đại của là thỏa thuận hợp lý với giá trị cặp nhiệt điện Do lượng hóa chất cần thiết cho chụp ảnh nhiệt hồng ngoại lớn hơn, nên không khuyến nghị điều tra ở nhiệt độ ban đầu trên 65 °C Tuy nhiên, nếu các giá trị nhiệt độ tuyệt đối không phải là trọng tâm quan tâm, thì phép ghi nhiệt là một ví

dụ tuyệt vời về kỹ thuật trực quan hóa có thể được sử dụng với thiết lập thử nghiệm đơn giản - cũng như trong các khóa học thực tế

2.3 Hấp thụ ánh sáng: Phản ứng Briggs-Rauscher dao động

Phản ứng hóa học với sự thay đổi màu sắc rất phù hợp cho mục đích trình diễn Hơn nữa, những phản ứng như vậy rất dễ theo dõi bằng trắc quang vì những thay đổi trong quá trình tuyệt chủng có thể liên quan trực tiếp đến những thay đổi

về nồng độ Một trong những phản ứng dao động phổ biến nhất trong các bài giảng

về động học hóa học được gọi là phản ứng Briggs-Rauscher (xem, ví

dụ,10 ,11 ,12 ) Mặc dù cơ chế của nó khá phức tạp, bao gồm các quá trình không triệt

để và triệt để, phương trình phản ứng tổng thể có thể được viết là:

Để nghiên cứu sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phản ứng Briggs-Rauscher, các dung dịch nước ban đầu có chứa hydro peroxit, axit malonic, mangan sunfat (làm chất xúc tác), tinh bột (để biểu thị phức iốt-tinh bột), kali iodat và axit sunfuric đã được điều chế như sau thủ tục trong13 Sau khi trộn các dung dịch ban đầu, màu thay đổi định kỳ quan sát được từ màu hổ phách sang màu xanh đậm được theo dõi bằng

phương pháp đo quang bằng máy đo quang nhúng ở bước sóng 455 nm Các kết quả về nhiệt độ ban đầu là 28 °C, 38 °C và 48 °C (được quan sát bằng cặp nhiệt điện) được trình bày trong Hình 4 Có thể thấy, thời gian dao động giữa các “pha xanh” (cực tiểu truyền) giảm khi nhiệt độ tăng Trong phạm vi dao động không đổi, tần số dao động trung bình có thể được quan sát từ các đường truyền ở các nhiệt

độ khác nhau Quy trình này mang lạihệ số nhiệt độ Q 10 - được tóm tắt trong Bảng

1 - phù hợp với quy tắc van't Hoff

•

• Hình 4 Đường cong truyền dẫn ở bước sóng 455 nm của phản ứng

Briggs-Rauscher dao động ở các nhiệt độ khác nhau

• Bảng 1 Nhiệt độ ban đầu T , tần số dao động trung bình r và kết quả là

hệ số nhiệt độ Q 10 của phản ứng Briggs-Rauscher

3 Các thí nghiệm để khai thác và suy ra phương trình Arrhenius

3.1 Hấp thụ ánh sáng: Sự đổi màu của Thuốc nhuộm Triphenyl Methane

Cách truyền thống để dạy về ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng trong

giáo dục hóa học trên cơ sở phức tạp hơn thường tuân theo cách tiếp cận suy

diễn chủ yếu dựa trên những cân nhắc lý thuyết.

Ban đầu, trong các bài giảng về hóa lý, những điều cơ bản của lý thuyết va chạm được giới thiệu, trong đó nêu rõ rằng tốc độ của một phản ứng hóa học tỷ lệ thuận với số lần va chạm giữa các phân tử phản ứng Tuy nhiên, một vụ va chạm chỉ dẫn đến một phản ứng hóa học nếu vượt quá một ngưỡng năng lượng nhất định và nếu các phân tử va chạm theo đúng hướng Những yêu cầu này sau đó được tóm tắt bằng phương trình Arrhenius:

(2)

với k là hằng số tốc độ phản ứng, R là hằng số khí phổ, và T là nhiệt độ tuyệt đối Đại lượng A được gọi là hệ số tần số và có thể hiểu là hằng số tốc độ phản ứng

cực đại ở nhiệt độ lớn vô hạn, ngược lại là năng lượng hoạt hóa của phản ứng Ở nhiệt độ phòng, năng lượng kích hoạt tương ứng với năng lượng tối thiểu mà các phân tử phải có để phản ứng

Trong bước thứ hai, cái gọi là biểu đồ Arrhenius thường được sử dụng trong các

khóa học thực tế để xác định các tham số A và trong các thí nghiệm cho các phản ứng hóa học thích hợp Do đó, phương trình Arrhenius được “tuyến tính hóa” bằng logarit hóa phương trình 2, cho

(3)

Ở dạng sắp xếp lại một chút, phương trình trở thành

(4)

và đồ thị của ln k so với 1/ T tạo ra một đồ thị tuyến tính Các giá trị của hằng số

tốc độ phản ứng được xác định bằng thực nghiệm ở các nhiệt độ khác nhau Độ dốc của đồ thị này bằng năng lượng kích hoạt âm chia cho hằng số khí Giao điểm

của hàm này mang lại giá trị cho ln A

3.1.1 Sự đổi màu của Crystal Violet

Một ví dụ đã được chứng minh rõ ràng về các phản ứng đổi màu là sự đổi màu của tím tinh thể trong môi trường kiềm (xem, ví dụ,1 14 ,15 ,16 ) Dựa trên quy trình được đưa ra trong17 , 25 ml dung dịch natri hydroxit 0,1 M được thêm vào 25 ml dung

dịch tím tinh thể 5 ∙10 5 M Độ hấp thụ của phản ứng đổi màu được ghi lại bằng quang kế nhúng ở bước sóng 558 nm (λ cực đại của tím pha lê là khoảng 587 nm 14 ) ở các nhiệt độ ban đầu là 20°C, 30°C, 40°C, 50°C, 60°C và 70°C

Crystal violet là thuốc nhuộm cation triphenyl metan ( Hình 6 ) Màu tím của dung dịch trong khoảng pH từ axit yếu đến bazơ yếu bắt nguồn từ hệ thống π liên hợp

mở rộng là đặc điểm chính của thuốc nhuộm Sau khi thêm dung dịch natri hydroxit, các ion hydroxit nucleophilic tấn công carbon trung tâm điện di để tạo ra dạng carbinol không màu của thuốc nhuộm do sự phá vỡ hệ thống liên hợp Do có lượng dư lớn các ion hydroxit, được mô tả trong các điều kiện thí nghiệm ở trên, nên phản ứng là giả bậc nhất Bằng cách sử dụng Luật Lambert-Beer-Bouguer, luật

tỷ lệ tích hợp của thứ tự giả đầu tiên mang lại

(5)

Ở đâu và là độ hấp thụ ở bước sóng 558nm tại thời điểm và tại thời điểm tương ứng Theo phương trình 5, hằng số tốc độ phản ứng hiệu quả

có thể thu được từ độ dốc âm của đồ thị tuyến tính ở các nhiệt độ khác nhau Các giá trị xác định được tóm tắt trong Bảng 2

• Bảng 2 Hằng số tốc độ phản ứng k' đối với sự đổi màu của tinh thể tím

ở các nhiệt độ khác nhau

Cuối cùng, hằng số tốc độ phản ứng được tính toán có thể được sử dụng để xác định năng lượng kích hoạt và hệ số tần số Biểu đồ Arrhenius tương ứng được trình bày trong Hình 5 Năng lượng kích hoạt của E A = 55,2 kJ/mol được tính từ độ dốc của đồ thị nằm trong phạm vi dữ liệu đã công bố về sự đổi màu của tím tinh thể trong khoảng 64 kJ/mol1 và 47,4 kJ/mol17