BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT Hóa lý 2

BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT Hóa lý 2

BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT

Môn: HÓA LÝ 2 (1406172055) SỐ: 05 SỐ TIẾT: 03

1 Tên bài giảng mới :

LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH SƠ CẤP Mục tiêu : (Hiểu, làm được)

- Hiểu được các khái niệm

- Nắm được sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng, năng lượng hoạt hóa, thuyết va chạm và phức chất hoạt động

- Giải được các bài tập trong giáo trình

Phương tiện và đồ dùng dạy học :

Giáo trình Hóa lý 2, bài giảng, tài liệu tham khảo

Bảng, bút lông, micro và máy chiếu

2 Nội dung và phương pháp giảng dạy :

5.1.

\

5.2

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản

ứng, quy tắc Van’t Hoff

Mối quan hệ giữa hệ số nhiệt độ của

vận tốc phản ứng và các hằng số vận tốc:

T

10 n T

k

k







(với   2  4) Trong đó:

: hệ số nhiệt độ của tốc độ phản ứng

KT, kT+10: hằng số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T và T + 10

Phương trình Arrhennius, năng lượng

hoạt động hóa

2

a RT

E dT

k ln d

 Trong đó:

k: hằng số vận tốc của phản ứng

20’

15’

10’

Thuyết trình, diễn giải gợi mở mở đề, cho ví dụ minh họa

5.4

R: hằng số khí

Ea: năng lượng hoạt hóa Lấy tích phân phương trình từ nhiệt độ

T1 đến T2 ta được:



















1 2

a T

T

T

1 T

1 R

E k

k ln

1 2

Năng lượng cần thiết để chuyển phân

tử có năng lượng trung bình thành phân tử

hoạt động được gọi là năng lượng hoạt hóa

E a

Thuyết va chạm hoạt động

Theo Arrhenius điều kiện để một phản

ứng hóa học có thể xảy ra là các phân tử của

các chất tham gia phản ứng phải va chạm

tương tác lẫn nhau Va chạm dẫn đến sự hình

thành liên kết hóa học mới gọi là va chạm

hoạt động hay va chạm hiệu quả còn các

phân tử va chạm tương ứng gọi là các phân

tử hoạt động

Biến đổi năng lượng của phản ứng thuận

nghịch đơn giản

Thuyết phức chất hoạt động

Ví dụ sự hình thành phân tử HI:

H2 + I2 = 2HI Quá trình được biểu diễn bằng sơ đồ:

20’

90’

25’

Thuyết trình, pháp vấn

Hãy phân biệt hấp phụ vật

lý và hóa học?

Ứng dụng của từng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt ?

Cho ví dụ một vài loại chất hấp phụ và ứng dụng của

nó trong thực tiễn?

Độ xốp càng lớn thì khả năng hấp phụ của chất đó như thế nào ?

3.6

3.7

Với:

- EH-H : năng lượng liên kết của H2 = 104

kcal/mol

- EI-I : năng lượng liên kết của I2 = 36 kcal/

mol

- EH-I : năng lượng liên kết của HI = 72

kcal/mol

-

t

a

E : năng lượng hoạt hóa của phản ứng

thuận = 40 kcal/mol

- Ena : năng lượng hoạt hóa của phản ứng

nghịch = 44 kcal/mol

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nếu tiến

hành bằng cách làm đứt các liên kết của H2

và I2 là:

H = Elktc - Elksp = (EH-H + EI-I ) - 2

EH-I = (104 + 36) - 2.72 = - 4 kcal

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nếu tiến

hành bằng cách tạo thành phức chất hoạt

động hay trạng thái chuyển tiếp là:

4 44 40 E E

a

t



Năng lượng hoạt hóa của phản ứng

trong trường hợp này là:

t

a

E

= EH-H + EI-I = 104 + 36 = 140 kcal/

mol

5.5 Bài tập

3 Tổng kết : 5’

1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng, Thuyết trình

thuyết va chạm và thuyết phức chất hoạt động

Vận dụng năng lượng hoạt hóa, quy tắc Van’t

Hoff và phương trình Arrhenius giải quyết bài

tập

4 Câu hỏi và bài tập về nhà : 40’

Các câu hỏi trắc nghiệm trong sách bài tập

Bài tập chương 5

5 Rút kinh nghiệm:

Ngày 30 tháng 8 năm 2011

Tổ trưởng Bộ môn Giáo viên soạn

CHI TIẾT NỘI DUNG BÀI GIẢNG SỐ 05 Chương 5: LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH SƠ CẤP 5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng, quy tắc Van’t Hoff

Khi nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc của phản ứng người ta cố định nhiệt độ của các chất tham gia phản ứng do đó sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào nhiệt độ thực chất là sự phụ thuộc của hằng số vận tốc vào nhiệt độ Do đó số lần tăng của vận tốc phản ứng khi nhiệt độ tăng được gọi là hệ số nhiệt độ của vận tốc phản ứng Như vậy giữa hệ số nhiệt độ của vận tốc phản ứng và các hằng số vận tốc có mối liên hệ sau:

T

10 n T

k

k







(với   2  4) Trong đó:

: hệ số nhiệt độ của tốc độ phản ứng

KT, kT+10: hằng số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T và T + 10

Quy tắc kinh nghiệm Van’t Hoff là quy tắc gần đúng ít có giá trị khoa học Thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng diễn ra rất phức tạp

5.2 Phương trình Arrhennius, năng lượng hoạt động hóa

2

a RT

E dT

k ln d

 Trong đó:

k: hằng số vận tốc của phản ứng

R: hằng số khí

Ea: năng lượng hoạt hóa Phương trình Arrhenius có thể viết dưới dạng:

RT E 0

a

e k

k    Lấy tích phân phương trình a2

RT

E dT

k ln d

 từ nhiệt độ T1 đến T2 ta được:



















1 2

a T

T

T

1 T

1 R

E k

k ln 1 2

Nếu biết các hằng số vận tốc k T 1 , k T 2ở hai nhiệt độ T1, T2 thì ta có thể xác định được năng lượng hoạt hóa Ea

Năng lượng cần thiết để chuyển phân tử có năng lượng trung bình thành phân tử hoạt động được gọi là năng lượng hoạt hóa E a

5.3 Thuyết va chạm hoạt động

Theo Arrhenius điều kiện để một phản ứng hóa học có thể xảy ra là các phân tử của các chất tham gia phản ứng phải va chạm tương tác lẫn nhau Không phải bao giờ các va chạm này cũng đều dẫn đến phản ứng hóa học Muốn tạo thành phân tử mới trước hết cần phải làm yếu hoặc làm đứt các liên kết cũ, phân bố lại mật độ electron và xây dựng liên kết hóa học mới vì thế đòi hỏi phải tiêu tốn một năng lượng nhất định Va chạm dẫn đến

sự hình thành liên kết hóa học mới gọi là va chạm hoạt động hay va chạm hiệu quả còn các phân tử va chạm tương ứng gọi là các phân tử hoạt động

Biến đổi năng lượng của phản ứng thuận nghịch đơn giản

Dễ dàng nhận thấy nếu liên kết giữa các nguyên tử hay nhóm nguyên tử càng bền thì năng lượng hoạt hóa càng lớn và ngược lại Nếu năng lượng hoạt hóa càng nhỏ thì số phân tử hoạt động càng nhiều do đó vận tốc phản ứng càng lớn và ngược lại

Thuyết va chạm hoạt độn g đã giải thích được ảnh hưởng của nồng độ và nhiệt độ lên vận tốc phản ứng Tuy nhiên thuyết va chạm chưa quan tâm đếm sự biến đổi cấu trúc của phân tử khi hấp thu năng lượng cũng như là tiến trình diễn ra phản ứng

5.4 Thuyết phức chất hoạt động

Để thấy rõ quan hệ giữa chất đầu, trạng thái chuyển tiếp và sản phẩm người ta dùng một sơ đồ gọi là đồ thị phản ứng

Ví dụ sự hình thành phân tử HI:

H2 + I2 = 2HI Quá trình được biểu diễn bằng sơ đồ:

- EH-H : năng lượng liên kết của H2 = 104 kcal/mol

- EI-I : năng lượng liên kết của I2 = 36 kcal/mol

- EH-I : năng lượng liên kết của HI = 72 kcal/mol

- E at : năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận = 40 kcal/mol

- Ena : năng lượng hoạt hóa của phản ứng nghịch = 44 kcal/mol

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nếu tiến hành bằng cách làm đứt các liên kết của H2

và I2 là:

H = Elktc - Elksp = (EH-H + EI-I ) - 2 EH-I = (104 + 36) - 2.72 = - 4 kcal

Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nếu tiến hành bằng cách tạo thành phức chất hoạt động hay trạng thái chuyển tiếp là:

4 44 40 E E

a

t



Năng lượng hoạt hóa của phản ứng trong trường hợp này là:

t a

E

= EH-H + EI-I = 104 + 36 = 140 kcal/mol

5.5 Bài tập

Ví dụ 1 Nếu phản ứng bậc 1 có năng lượng hoạt hóa là 25.000 cal/mol và trong phương

trình Arhenius có hằng số k0 là 5.1013 giây-1, ở nhiệt độ nào chu kỳ bán hủy của phản ứng

là 1 phút và 30 ngày

Giải Khi chu kỳ bán hủy là 1 phút ta có hằng số tốc độ là:

01155 , 0 60

693 , 0 t

2 ln

k

2 /

1





 Ea  o

Nhiệt độ cần thiết là:

a

13 o

R(lnk lnk) 1,987.(ln5.10 ln0,01155)

Khi chu kỳ bán hủy là 30 ngày (2592000 giây) thì hằng số tốc độ của phản ứng là:

6 2

/ 1

2592000

693 , 0 t

2 ln

 Ea  o

RT Nhiệt độ cần thiết là:



a

o

R(lnk lnk) 1,987.(ln5.10 ln0,267.10 )

Ví dụ 2 Năng lượng hoạt hóa của phản ứng là bao nhiêu để tốc độ phản ứng tăng lên 3

lần khi tăng nhiệt độ lên 10 độ tại 300K và tại 1000K?

Giải Tại 300K tốc độ tăng 3 lần thì hằng số tốc độ của phản ứng cũng tăng 3 lần ta có:



2

E

1,987 310 300

Ea = 20,3 (kcal/mol)

Tại 1000K:



1,987 1010 1000

 Ea = 220 (kcal/ mol)

Ví dụ 3 Xác định bằng thực nghiệm hằng số tốc độ phản ứng phân hủy N2O5 có kết quả:

k.10-15.s-1 0,0787 3,46 13,5 47,44 250 577,8 Xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng

Giải Khi T1 = 273K và T2 = 298K thì hằng số tốc độ k1 = 0,0787.10-15s và k2 = 3,46.10-15s:

15

2

15

 Ea = 24,463 (kJ/mol)

Khi T1 = 308K và T2 = 318K thì hằng số tốc độ :

k1= 13,5.1015s và k2= 19,8.1015s:

15

2

15

 E = 24,460 (kJ/mol)

Khi T1 = 328K và T2 = 338K thì hằng số tốc độ :

k1 = 250.1015s và k2 = 487.1015s:

15

2

15

 Ea = 24,461 (kJ/mol)

Vậy năng lượng hoạt hóa của phản ứng là:

Ea = 24,461 (kJ/mol)

Ví dụ 4 Người ta đo tốc độ đầu hình thành C đối với phản ứng:

A + B = C và thu được kết quả sau:

A

B

C (M) Wo.103 (M.phút-1)

a Bậc phản ứng đối với A và B

b Hằng số tốc độ phản ứng

c Tính Wo khi o

A

C = o

B

C =0,5M

Giải

a Phương trình động học của phản ứng có dạng:

 

 A B

W kC C

Dựa vào giá trị tốc độ đầu ta xác định giá trị của  và 

k(C ) (C )  k0,1 0,1  2.10

k(C ) (C )  k0,2 0,2  8.10

k(C ) (C )  k0,1 0,2  8.10

Từ 3 phương trình trên ta tính được  = 0 và  = 2

b Hằng số tốc độ của phản ứng là: k = 0,2 M-1.phút-1

c Khi o

A

C = o

B

C =0,5M

o

W 0,2.0,5 0,5 0,05M / phut

Ví dụ 5 Phản ứng trong pha khí giữa NH3 và NO2 trong giai đoạn đầu là phản ứng bậc 2

a Tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng

b Tính thừa số k0 của phương trình Arrhenius

Biết ở nhiệt độ 600K và 716K, hằng số tốc độ phản ứng có giá trị tương ứng bằng 0,385

M-1.s-1 và 16 M-1.s-1

a Sử dụng phương trình: 2  a 

E



0,385 8,314 716 600

b Tính hằng số k0:  Ea  o

RT

8,314.600

 

 ko 378,559.10 M s7 1 1

Ví dụ 6 Nghiên cứu phản ứng 2I(k) + H2(k) = 2HI(k) Cho thấy hằng số tốc độ phản ứng ở 418K là 1,12.10-5 M-2.s-1 và ở 737K là 18,54.10-5 M-2.s-1 Xác định năng lượng hoạt hóa và hằng số tốc độ phản ứng ở 633,2K

Giải

Áp dụng phương trình: 2 a

E



Với T1 = 418K, T2 = 737K và k1 = 1,12.10-5, k2 = 18,54.10-5 ta có:

5

a 5

E

1,12.10 8,314 737 418







Cũng áp dụng phương trình: 2 a

E



Với T1= 418K, T2= 633,2K và k1 = 1,12.10-5, Ea 22,522kJ / mol ta có:

2 5

1,12.10 8,314 633,2 418





Ví dụ 7 Trong một phản ứng bậc nhất tiến hành ở 270C, nồng độ chất đầu giảm đi một nữa sau 5000s Ở 370C nồng độ giảm đi một nữa sau 1000s Xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng

Giải Tại 270C ta có:

 

1

1/ 2

ln 2 0,693

Tại 370C ta có:

 

2

1/ 2

ln 2 0,693

Áp dụng phương trình: 2  a 

E