HÓA ĐẠI CƯƠNG B1 - CHƯƠNG 4 pps

Chương 4 Bài giảng HÓA ĐẠI CƯƠNGNỘI DUNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐỘNG HÓA HỌC CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG Khái niệm về tốc độ phản ứng Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng Ảnh hưở

Trang 1

Chương 4 Bài giảng HÓA ĐẠI CƯƠNG

CHƯƠNG IV ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC

Trang 2

NỘI DUNG

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐỘNG HÓA HỌC

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

Khái niệm về tốc độ phản ứng Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng Ảnh hưởng của nhiệt độ

Ảnh hưởng của chất xúc tác

Trang 3

HỌC

Tự đọc, để hiểu được các khái niệm về:

- Nội dung nghiên cứu của động hóa học

- Phản ứng hóa học: hệ số tỉ lượng, bậc phản ứng, phản ứng đơn giản và phức tạp, cơ chế

Trang 4

4.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

4.2.1 Khái niệm về tốc độ phản ứng:

- Định nghĩa: Tốc độ của phản ứng hóa học

là số tác dụng đơn giản trong một đơn vị thời gian và đơn vị thể tích (đối với phản ứng đồng thể) hoặc trong một đơn vị thời gian và trên một đơn

vị diện tích bề mặt phân chia các pha (đối với

Trang 5

-Thực tế thường dùng những đại lượng tỉ lệ với số tác dụng đơn giản này: độ thay đổi nồng độ (mol/lit) của chất phản ứng hay sản phẩm phản ứng trong một đơn vị thời gian (phút…)

-Tốc độ trung bình (trong khoảng thời gian):

Trang 6

* Đối với phản ứng A + B = C + D:

• Tính theo chất phản ứng: nếu nồng độ chất A hay B ở thời điểm τ1 là C1, ở thời điểm τ2là C2 thì tốc độ trung bình của phản ứng trong khoảng thời gian này là:

τ Δ

Δ

−

= τ

− τ

−

=

1 2

Trang 7

• Tính theo sản phẩm: nếu nồng độ chất D hay E ở thời điểm τ1 là C, ở thời điểm τ2 là C thì tốc độ trung bình của phản ứng trong khoảng thời gian này là:

τ Δ

Δ +

= τ

− τ

−

=

1 2

' 1

' 2

τ Δ

Δ

±

=

Dấu −: chất phản ứng, dấu +: sản phẩm

- Tốc độ tức thời (tính tại thời điểm τ nhất định):

Trang 8

* Đối với phản ứng tổng quát

a A + b B = d D + e E:

- Tốc độ trung bình:

τ Δ

Δ

× +

= τ

Δ

× +

=

τ Δ

Δ

×

−

= τ

B A

C e

1

C d

1

C b

1

C a

1 v

Trang 9

- Các yếu tố ảnh hưởng: nồng độ, nhiệt độ, xúc tác

4.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng:

a- Định luật tác dụng khối lượng:

- Muốn cho phản ứng xảy ra các tiểu phân chất phản ứng phải va chạm nhau, tốc độ phản ứng càng lớn khi số va chạm càng nhiều = khi số tiểu phân càng lớn, nên tốc độ phản ứng tỉ lệ

Trang 10

Định luật tác dụng khối lượng của Guldberg và Waage:

Trong hệ đồng thể, ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với tích số nồng độ các chất phản ứng với số mũ bằng hệ số tỉ lượng của các chất phản ứng.

Trang 11

- Biểu thức tốc độ phản ứng:

Đối với phản ứng tổng quát aA + bB = cC + dD

b B

a

kC

v =

v: tốc độ tức thời ở thời điểm nhất định;

C: nồng độ chất phản ứng ở thời điểm đó;

k: hệ số tỉ lệ và được gọi là hằng số tốc độ phản ứng.

Trang 12

a, b: bậc phản ứng theo chất phản ứng;

a+b: bậc phản ứng của phản ứng.

Phản ứng thuận -nghịch: v = vt − vn Phản ứng đồng thể đơn giản − 1 giai đoạn:

Bậc theo các chất phản ứng đúng bằng hệ số tỉ lượng trong phương trình phản ứng.

Phản ứng phức tạp − nhiều giai đoạn:

Bậc phản ứng có giá trị khác với hệ số tỉ

Trang 13

Tốc độ của phản ứng phức tạp được xác định bởi giai đoạn xảy ra chậm nhất, có thể khác với hệ

số tỉ lượng của phản ứng tổng cộng

Bậc phản ứng và biểu thức tốc độ phản ứng thực tế được xác định bằng thực nghiệm.

Ví dụ các phản ứng: N2O = 4 NO2 + O2 (1)

2 NO + O2 = 2 NO2 (2) đều là phản ứng phức tạp vì chúng đều diễn ra qua 2

giai đoạn, thực nghiệm xác định phản ứng (1) có:

Trang 14

bậc phản ứng là 1 (khác hệ số tỉ lượng của N2O4), còn phản ứng (2) có:

4

2ONkC

v =

và do đó có bậc phản ứng là 3 (bằng hệ số tỉ

lượng của NO2 và O2)

b- Hằng số tốc độ phản ứng :

- Theo tính toán lý thuyết:

RT

*

ER

*

SRT

E

e e

e

z k

*

−

Trang 15

- Phản ứng cụ thể α = const nên k chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ,

nghĩa là k là hằng số tại nhiệt độ nhất định

- Ý nghĩa vật lý của k: khi C A = C B = 1 M thì k = v, từ đây: k là

tốc độ riêng của phản ứng đã chọn.

- Xác định k: Lấy tích phân các phương trình tốc độ phản ứng Chẳng hạn đối với phản ứng bậc một:

Cln

1k

Clnk

Cln

kdC

dCd

dCkC

v

0

=

→+

Trang 16

c- Lý thuyết hoạt hóa và năng lượng hoạt hóa, entropi hoạt hóa:

- Năng lượng hoạt hóa (E*):

* Muốn va chạm có hiệu quả (xảy ra phản ứng) thì

các tiểu phân va chạm phải có năng lượng dư tối thiểu nào đấy so với năng lượng trung bình của các tiểu phân

trong hệ để thắng được lực đẩy giữa các lớp vỏ electron của các tiểu phân, để có thể va chạm nhau, phá hủy liên kết cũ, tạo liên kết mới

Trang 17

* Năng lượng dư tối thiểu đó gọi là năng lượng hoạt hóa của tiểu phân, còn tiểu phân là tiểu phân hoạt động

* Năng lượng hoạt hóa của phản ứng:

• Bằng tổng năng lượng hoạt hóa của các chất phản ứng

:

Ví dụ: đối với phản ứng aA + bB = cC + dD:

* B

* A

• Bằng hiệu số giữa năng lượng tối thiểu cần thiết của hệ

phản ứng để tương tác xảy ra và năng lượng ban đầu của

Trang 18

* Tóm lại: năng lượng hoạt hóa của chất là năng lượng tối thiểu cần cung cho các tiểu phân để chúng trở thành hoạt động, do đó năng lượng hoạt hóa càng nhỏ, phản ứng càng dễ xảy ra, tốc độ phản ứng càng lớn

* Cơ chế phản ứng:

• Theo quan niệm cũ: phản ứng diễn ra theo con

đường tất cả liên kết cũ phải bị phá vỡ hết rồi liên kết mới mới được tạo thành Con đường này đòi hỏi năng lượng hoạt hóa lớn

Trang 19

Ví dụ: Theo cơ chế này phản ứng tổng hợp HI từ H2 và I 2 đòi hỏi năng lượng hoạt hóa lớn:

( ) nên phản ứng khó xảy ra, nhưng thực tế phản ứng này tương đối dễ xảy ra

• Theo quan niệm mới: đa số phản ứng diễn ra qua

giai đoạn tạo thành hợp chất trung gian hoạt động (phức chất

hoạt động); hợp chất này không bền sẽ phân hủy tạo thành

sản phẩm Sự tạo thành phức chất hoạt động đòi hỏi năng lượng hoạt hóa nhỏ nên phản ứng dễ xảy ra

mol /

kcal 140

36 104

E E

E* = plH2 + plI2 = + =

Trang 20

Như vậy theo cơ chế này năng lượng hoạt hóa là năng lượng cần thiết để chuyển các chất phản ứng sang trạng thái phức chất hoạt động.

Theo cơ chế này trong khi các liên kết cũ chưa bị phá vở hết thì liên kết mới đã được tạo thành

Ví dụ: phản ứng tổng hợp HI theo cơ chế này có E*

= 4 kcal/mol và có thể biểu diễn :

Trang 21

H 2 + I 2 → H 2 I 2 → 2 HI

* Xét giản đồ năng lượng của phản ứng tổng hợp HI nói trên (theo cả 2 cơ chế) Từ giản đồ năng lượng tính E* của phản ứng:

Trang 22

• Theo cơ chế mới :

kcal 4

144 140

H H

kcal 4

144 140

H H

H

Từ đây: Năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận nghịch có trị số bằng hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận nghịch

Trang 23

* Năng lượng hoạt hóa của phản ứng có thể tính được khi biết 2 giá trị của hằng số tốc độ phản ứng k

(k 1 , k 2 ) ở 2 nhiệt độ khác nhau (T 1 , T 2 ):

1

2 1

2

1 1

2 1

2

2 1

*

k

k lg

) T T

T

T (

576 ,

4 k

k ln

) T T

T

T (

- Entropi hoạt hóa (S*):

* Không chỉ năng lượng hoạt hóa mà còn số yếu tố khác nữa, như sự định hướng trong không gian khi va

chạm của các tiểu phân, cũng có ảnh hưởng đến hiệu quả

của va chạm, nghĩa là có ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

Trang 24

Ví dụ: đối với phản ứng tổng hợp HI nói trên để tạo thành

phức chất hoạt động H 2 -I 2 thì sự định hướng của các phân tử

H 2 và I 2 khi va chạm theo trường hợp (a) sẽ thuận lợi hơn trường hợp (b)

Tóm lại để xảy ra phản ứng, các tiểu phân phải có năng lượng cần thiết và phải có được sự định hướng thuận lợi nhất định khi va chạm

* Entropi hoạt hóa đặc trưng cho xác suất định hướng có

hiệu quả khi va chạm:

W ln

R có

thể có

hướng định

cách số

tổng

lợi thuận

hướng định

cách

số ln

R

*

Trang 25

* Xét giản đồ entropi của phản ứng tổng hợp HI theo cơ chế mới:

Trang 26

Từ đây entropi hoạt hóa của phản ứng thuận−nghịch bằng độ biến đổi entropi của phản ứng thuận−nghịch

-Hằng số tốc độ k, nghĩa là tốc độ phản ứng, được

quyết định bởi 2 yếu tố năng lượng (entanpi H) và hình học (entropi S): E* nhỏ, nhưng ⏐S*⏐ lớn thì k vẫn rất bé

và phản ứng xảy ra chậm; ngược lại E* tuy có thể rất lớn, nhưng ⏐S*⏐ bé thì phản ứng vẫn xảy ra nhanh

- Tóm lại theo thuyết hoạt hóa: khi tăng nồng độ chất phản ứng làm tăng số tiểu phân hoạt động, làm tăng số va chạm có hiệu quả, dẫn đến tăng tốc độ phản ứng.

Trang 27

4.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

a- Quy tắc (kinh nghiệm) Van’t Hoff:

Khi tăng nhiệt độ lên 10 o C thì tốc độ phản ứng tăng lên khoảng từ 2 đến 4 lần

Số lần tăng này được gọi là hệ số nhiệt độ của tốc độ,

được ký hiệu γ và:

t

10 n t

n t

10

t

k

k quát

tổng hay

4

2 k

Trang 28

Ví dụ: Xác định hằng số tốc độ k ở 30o C và tính tốc độ phản ứng tăng lên bao nhiêu lần khi tăng nhiệt độ lên 100 o C đối với phản ứng phân hủy N 2 O 5 thành NO 2 và O 2 , biết hằng số k của phản ứng ở 0 o Cvà 60 o C tương ứng bằng 7,9 10 −7 và 2,57 10 −3

Giải: • Tính hằng số k ở 30o C:

( 3 , 86 ) 3 , 86 10

9 , 7

10 57 ,

2 k

7

3 0

10 6 0

30

3 0

10 3 0

10

6 , 3 86

, 3 x 10

9 , 7

86 , 3 x k k

86 ,

3 k

Trang 29

Chương 4

Bài giảng HÓA ĐẠI CƯƠNG

• Tính độ tăng tốc độ phản ứng khi tăng nhiệt độ lên 100 o C:

( 3 , 86 ) 731200 lần k

k v

0

10 10

0 0

S RT

E

e.e

.ze

.k

lnRT

Eb

T

ak

ln = + = − + α → = α − = −

k: hằng số tốc độ phản ứng; T: nhiệt độ tuyệt đối

a,b: xác định bằng thực nghiệm, về sau chứng minh:

Trang 30

-Theo lý thuyết hoạt hóa: khi đốt nóng tốc độ phản ứng tăng lên không phải do tăng số lần va chạm, mà là do

tăng số tiểu phân hoạt động Điều này là do không tỉ lệ

với

mà khi nhiệt độ tăng tỉ số này tăng mạnh

Ví dụ: đối với phản ứng phân hủy N2 O 5 nói trên, khi tăng nhiệt độ từ 0 o C lên 100 o C tỉ số này tăng lên 173800 lần

hệ của

phân tiểu

số tổng

động hoạt

phân tiểu

sốá N

' N RT

* E

Trang 31

4.2.4.Ảnh hưởng của chất xúc tác:

a- Khái niệm về xúc tác:

• Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ

phản ứng hoặc gây nên phản ứng

• Chất ức chế là chất làm cho tốc độ phản

ứng chậm lại.

• Các đặc điểm của chất xúc tác:

Trang 32

- Lượng dùng ít hơn chất phản ứng rất nhiều lần

- Không thay đổi về lượng cũng như về thành

phần và tính chất hóa học sau phản ứng (về lý

thuyết).

- Mỗi chất xúc tác thường chỉ có tác dụng đối với

một phản ứng nhất định

Trang 33

• Định nghĩa: Chất xúc tác là những chất làm

tăng tốc độ phản ứng do tham gia vào tương tác

hóa học với các chất phản ứng ở giai đoạn trung

gian, nhưng sau phản ứng nó được phục hồi và giữ

nguyên về lượng cũng như thành phần và tính

chất hóa học

• Xúc tác đồng thể là chất xúc tác cùng pha

với hỗn hợp phản ứng, còn khi chất xúc tác có pha

khác với hỗn hợp phản ứng thì đó là xúc tác dị thể

Trang 34

Ví dụ: phản ứng oxyhóa khí SO2

thành khí SO 3 khi dùng hỗn hợp khí NO và NO 2 làm xúc tác là quá trình xúc tác đồng thể, còn khi dùng bột V 2 O 5 làm xúc tác là quá trình xúc tác dị thể

Trang 35

• Phản ứng xúc tác enzim là phản ứng hóa học

xảy ra dưới tác dụng xúc tác của các chất anbumin đặc biệt được gọi là các enzim (men) Những phản ứng này là những phản ứng hóa học xảy ra trong cơ thể sinh vật

Ưu điểm của xúc tác enzim là có tính chọn lọc cao và các phản ứng xúc tác enzim xảy ra ở nhiệt độ thường, có hiệu suất lớn

Trang 36

• Phản ứng dây chuyền là phản ứng gồm

nhiều tương tác hóa học (tác dụng đơn giản) xảy

ra liên tiếp nhau, lặp di lặp lại (các mắt xích) với

sự tham gia của những tiểu phân đặc biệt được

gọi là các gốc tự do.

Trang 37

Gốc tự do là những tiểu phân không bão hòa hóa trị (H . , O . , OH . , Cl . , do các phân tử bị

phá vỡ dưới tác dụng chiếu sáng, đốt nóng,

phóng điện … tạo thành, có khả năng phản ứng

rất lớn và khi một gốc tự do tham gia phản ứng

mất đi thì sẽ xuất hiện nhiều gốc tự do mới tiếp

tục phản ứng …tạo ra dây chuyền.

Phản ứng dây chuyền có năng lượng hoạt hóa rất nhỏ, có khi bằng không.

Trang 38

• Phản ứng quang hóa là phản ứng hóa học

xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng

Ánh sáng là tác nhân cung cấp năng lượng cho phản ứng tạo ra gốc tự do Phản ứng quang

hóa tỷ lệ thuận với lượng ánh sáng hấp thụ được,

khi chất phản ứng hấp thụ 1 photon ánh sáng chỉ

sinh ra tối đa 1 gốc tự do, sẽ xảy ra cách bình

thường

Ví dụ: phản ứng phân hủy AgBr dưới tác dụng

Trang 39

Phản ứng quang hóa, sự hấp thụ ánh sáng chỉ đóng vai trò kích thích phản ứng xảy ra, phản ứng tự xảy ra không phụ thuộc vào lượng ánh sáng hấp thụ, nghĩa là khi chất phản ứng hấp thụ 1 photon lại sinh ra được nhiều gốc tự do, sẽ xảy ra theo kiểu dây chuyền

Trang 40

Ví dụ: phản ứng tổng hợp HCl từ H2 và Cl 2 khi được chiếu sáng sẽ xảy ra theo kiểu dây

Trang 41

b -Tác dụng của chất xúc tác:

• Làm giảm năng lượng hoạt hóa bằng cách

thay đổi cơ chế phản ứng Đối với quá trình xúc tác

đồng thể: chất xúc tác tham gia tạo phức chất hoạt

động mới làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản

ứng

Để minh họa xét phản ứng A + B = AB:

- Không có xúc tác: A + B → A -B → AB,

- Có xúc tác K: A + K → A -K → AK,

* 1

E

* 2

E

* 3

E

Trang 42

Cả và đều nhỏ hơn làm cho các phản ứng khi có xúc tác đều xảy ra nhanh hơn, đưa đến phản ứng xảy ra nhanh hơn khi không có xúc tác.

Ví dụ: phản ứng CH3 CHO(k) → CH 4 (k) + CO(k) khi không dùng xúc tác có E*=45,5 kcal/mol, còn khi dùng hơi iot làm xúc tác có E* = 32,5 kcal/mol Nhờ sự giảm năng lượng hoạt hóa này mà tốc độ phản ứng tăng lên 500000 lần ở 500 o K

* 1

E

* 3

E

* 2

E

Trang 43

• Cung cấp gốc tự do tạo ra phản ứng dây chuyền,

là phản ứng xảy ra rất mãnh liệt (nổ) vì có năng lượng

hoạt hóa rất nhỏ hoặc bằng không như đã nói ở trên

Ví dụ: Tốc độ của phản ứng 2CO + O2 = 2CO 2 tăng lên mạnh khi dùng hơi nước làm xúc tác là do hơi

nước cung cấp các gốc tự do H . , O . , OH . tạo ra phản ứng

dây chuyền

OH . + CO = CO 2 + H .

H . + O 2 = OH . + O .

O . + CO = CO

Định dạng
Số trang	43
Dung lượng	258,43 KB