skkn ĐỘNG hóa học và xúc tác bồi DƯỠNG học SINH GIỎI

Tác dụng của bài tập hoá học đối với việc dạy học nói chung và trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học nói riêng a Bài tập hoá học có những tác dụng sau: - Làm chính xác các khái ni

SƠ LƯỢC LÝ LỊCH KHOA HỌC

I THÔNG TIN CHUNG VỀ CÁ NHÂN

1 Họ và tên: NGUYỄN NGỌC BẢO TRÂN

2 Ngày tháng năm sinh: 21 – 02 – 1983

8 Đơn vị công tác: Trường THPT chuyên Lương Thế Vinh

II TRÌNH ĐỘ ĐÀO TẠO

- Học vị (hoặc trình độ chuyên môn, nghiệp vụ) cao nhất: Thạc sĩ

- Năm nhận bằng: 2011

- Chuyên ngành đào tạo: Lý luận và phương pháp dạy học Hoá học

III.KINH NGHIỆM KHOA HỌC

- Lĩnh vực chuyên môn có kinh nghiệm: Hoá học

Số năm có kinh nghiệm: 7 năm

- Các sáng kiến kinh nghiệm đã có trong 5 năm gần đây:

+ Nhiệt động hoá học

+ Amino axit và peptit

+ Lý thuyết cân bằng hoá học

+ Cấu tạo nguyên tử và liên kết hoá học

+ Gluxit

Tên sáng kiến kinh nghiệm:

ĐỘNG HÓA HỌC VÀ XÚC TÁC BỒI DƯỠNG HỌC SINH GIỎI

I LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Vấn đề đào tạo học sinh giỏi luôn là một nhiệm vụ quan trọng, nhất là đối

với trường trung học phổ thông chuyên Tuy nhiên, giáo trình dành cho chương trình chuyên không nhiều nên giáo viên và cả học sinh đều gặp không

ít khó khăn trong quá trình dạy và học Xuất phát từ thực tế đó chúng tôi đã biên soạn chuyên đề này góp phần trong việc giảng dạy cho học sinh chuyên Hoá

Đây là một chuyên đề của cá nhân nên không tránh khỏi những hạn chế nhất định, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thấy cô giáo

II TỔ CHỨC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

II.1 Cơ sở lý luận

II.1.1 Bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học ở bậc trung học phổ thông

II.1.1.1 Bồi dưỡng học sinh giỏi là phát hiện, đào tạo nhân tài cho đất nước

Trong công cuộc cải cách giáo dục hiện nay, việc phát hiện và đào tạo những học sinh giỏi để tạo đà phát triển nhân tài cho đất nước là một trong những nhiệm vụ quan trọng ở bậc THPT Vì thế người giáo viên bộ môn cần

có nhiệm vụ phát hiện, bồi dưỡng học sinh giỏi bộ môn Công việc này mới

mẻ, còn gặp nhiều khó khăn và mang những nét đặc thù của nó

II.1.1.2 Những năng lực và phẩm chất của một học sinh giỏi Hoá học

Có năng lực tiếp thu kiến thức và có kiến thức cơ bản vững vàng, sâu sắc,

hệ thống Biết vận dụng linh hoạt, sáng tạo những kiến thức cơ bản đó vào tình huống mới

Có năng lực tư duy sáng tạo, suy luận logic Biết phân tích, tổng hợp, so sánh, khái quát hoá vấn đề, có khả năng sử dụng linh hoạt phương pháp tư duy: quy nạp, diễn dịch, loại suy…

Có kỹ năng thực nghiệm tốt, có năng lực về phương pháp nghiên cứu khoa học hoá học Biết nêu ra những lý luận cho những hiện tượng xảy ra trong thực tế, biết cách dùng thực nghiệm để kiểm chứng lại những lý luận trên và biết cách dùng lý thuyết để giải thích những hiện tượng đã được kiểm chứng.

II.1.1.3 Một số biện pháp phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học

a) Một số biện pháp phát hiện học sinh có năng lực trở thành học sinh

Soạn thảo và lựa chọn một số dạng bài tập đáp ứng hai yêu cầu trên đây để phát hiện học sinh có năng lực trở thành học sinh giỏi Hoá học

b) Một số biện pháp cơ bản trong quá trình bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học

Hình thành cho học sinh một kiến thức cơ bản, vững vàng, sâu sắc Đó là

lý thuyết chủ đạo, là các định luật cơ bản, là các quy luật cơ bản của bộ môn

Hệ thống kiến thức phải phù hợp với logic khoa học, logic nhận thức đáp ứng

sự đòi hỏi phát triển nhận thức một cách hợp lý

Rèn luyện cho học sinh vận dụng các lý thuyết chủ đạo, các định luật, quy luật cơ bản của môn học một cách linh hoạt, sáng tạo trên cơ sở bản chất hoá học của sự vật, hiện tượng

Rèn luyện cho học sinh dựa trên bản chất hoá học, kết hợp với kiến thức các môn học khác chọn hướng giải quyết vấn đề một cách logic và gọn gàng

Rèn luyện cho học sinh biết phán đoán (quy nạp, diễn dịch…) một cách độc đáo, sáng tạo giúp cho học sinh hoàn thành bài làm nhanh hơn, ngắn gọn hơn

Huấn luyện cho học sinh biết tự đọc và có kỹ năng đọc sách, tài liệu

Người giáo viên bộ môn phải thường xuyên sưu tầm tích luỹ tài liệu bộ môn, cập nhật hoá tài liệu hướng dẫn học sinh tự học, tự nghiên cứu và xem

đó là biện pháp không thể thiếu được trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi

II.1.2 Bài tập hoá học

II.1.2.1 Vai trò, mục đích của bài tập hoá học

Bài tập hoá học vừa là mục tiêu, vừa là mục đích, vừa là nội dung vừa là phương pháp dạy học hữu hiệu do vậy cần được quan tâm, chú trọng trong các bài học Nó cung cấp cho học sinh không những kiến thức, niềm say mê

bộ môn mà còn giúp học sinh con đường giành lấy kiến thức, bước đệm cho quá trình nghiên cứu khoa học, hình thành phát triển có hiệu quả trong hoạt động nhận thức của học sinh

Bằng hệ thống bài tập sẽ thúc đẩy sự hiểu biết của học sinh, sự vận dụng sáng tạo những hiểu biết vào thực tiễn, sẽ là yếu tố cơ bản của quá trình phát triển xã hội, tăng trưởng kinh tế nhanh và bền vững

II.1.2.2 Phân loại bài tập hoá học

Dựa theo nhiều cơ sở có thể chia bài tập hoá học ra thành nhiều loại nhỏ để học sinh dễ nắm bắt và ghi nhớ

TỔNG QUÁT VỀ BÀI TẬP HÓA HỌC

nội dung thực nghiệm

Bài tập định lượng Bài tập định lượng có nội

dung thực nghiệm

Nghiên cứu tài

liệu mới

Hoàn thiện kiến thức kỹ năng

Kiểm tra đánh giá

Nghiên cứu tài liệu mới

Hoàn thiện kiến thức kỹ năng

Kiểm tra đánh giá

II.1.2.3 Tác dụng của bài tập hoá học đối với việc dạy học nói chung và trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi Hoá học nói riêng

a) Bài tập hoá học có những tác dụng sau:

- Làm chính xác các khái niệm và định luật đã học

- Giúp học sinh năng động, sáng tạo trong học tập, phát huy khả năng suy luận, tích cực của học sinh

- Ôn tập, củng cố và hệ thống hoá kiến thức

- Kiểm tra kiến thức, rèn luyện kỹ năng cơ bản của học sinh

- Rèn luyện và phát triển tư duy cho học sinh

b) Ngoài các tác dụng chung trên, trong việc bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học, bài tập hóa học còn có những tác dụng sau :

- Là phương tiện để ôn luyện, kiểm tra, đánh giá nắm bắt kiến thức một cách chủ động, sáng tạo

- Là con đường nối liền giữa kiến thức thực tế và lý thuyết tạo ra một thể hoàn chỉnh và thống nhất biện chứng trong cả quá trình nghiên cứu

- Phát triển năng lực nhận thức, tăng trí thông minh, là phương tiện để học sinh tiến tới đỉnh vinh quang, đỉnh cao của tri thức

II.1.3 Nội dung kiến thức hoá học thường được đề cập trong kỳ thi học sinh giỏi quốc gia

A/ Lý thuyết đại cương

- Cấu tạo nguyên tử, liên kết hoá học Sự lai hoá các obitan

- Lý thuyết điện ly Dung dịch.tính tan của các chất, các loại công thức tính nồng

độ Các phản ứng axít - bazơ, các loại chỉ thị của quỳ tím, phennolphtalein

- Tích số tan, các hằng số cân bằng axít – bazơ Tính pH , Ka , Kb

- Các định luật về chất khí: Định luật Avogađrô, tỷ khối …

- Phản ứng oxi hoá -khử, dãy điện hoá, thế oxi hoá -khử, sức điện động thành lập pin

- Các loại mạng tinh thể

- Lý thuyết về phản ứng hoá học : Cân bằng hoá học, hiệu ứng nhiệt, nhiệt tạo thành, nhiệt đốt cháy, nhiệt hoà tan, năng lượng mạng lưới tinh thể, năng lượng liên kết, tốc độ phản ứng.

- Năng lương tự do Gibbs, chu trình Bocnơ-habơ, định luật Hess

- Hạt nhân nguyên tử

- Hiện tượng phóng xạ, đồng vị phóng xạ, phản ứng hạn nhân

- Chu kỳ bán huỷ, độ phóng xạ, sự phân rã các hạn α, β, γ

B/ Hoá học vô cơ (hoá học về các ngưyên tố)

- Các nguyên tố halogen, các nguyên tố oxi, lưu huỳnh, nitơ, phốt pho, cacbon

- Các hơp chất đơn giản, thông dụng của các nguyên tố trên

- Kim loại kiềm, kiềm thổ, nhôm, sắt, đồng, chì, crôm, kẽm, thuỷ ngân

- Các hợp chất đơn giản, thông dụng của chúng

- Nhận biết các chất vô cơ

C/ Hoá hưũ cơ

- Danh pháp :Tên quốc tế, tên thông thường

- Hiệu ứng cấu trúc: Hiệu ứng cảm ứng, hiệu ứng liên hợp, hiệu ứng siêu liên hợp

- Đồng đẳng, đồng phân, lập công thức phân tử, công thức cấu tạo

- Hoá lập thể chất hữu cơ

- Cấu trúc và tính chất vật lý

- Phản ứng Hữu cơ và cơ chế phản phản ứng

- Xác định cấu tạo chất hữu cơ

- Tổng hợp hữu cơ

- Phân tích định tính, định lượng bằng các phương pháp đơn giản

- Thuyết cấu tạo hoá học, định luật Raum, tỉ khối

II.2 Nội dung, biện pháp thực hiện các giải pháp của đề tài

a) Nội dung của đề tài

CHƯƠNG 1: ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA ĐỘNG HỌC CHO CÁC PHẢN ỨNG ĐƠN GIẢN

1.1 PHẢN ỨNG BẬC NHẤT

1.2 PHẢN ỨNG BẬC HAI

1.3 PHẢN ỨNG BẬC BA

1.4 PHẢN ỨNG BẬC KHÔNG

1.5 PHẢN ỨNG BẬC N (N # 1)

1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀ XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG

1.6.1 Đo tốc độ phản ứng

1.6.2 Xác định bậc phản ứng

1.6.2.1 Phương pháp vi phân

1.6.2.2 Phương pháp tích phân (hay phương pháp thay thế)

1.6.2.3 Phương pháp thời gian chuyển hóa 1/q phần của chất phản ứng

CHƯƠNG 2: ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA ĐỘNG HỌC CHO PHẢN ỨNG PHỨC TẠP

2.2.2 Phản ứng song song bậc hai

2.2.3 Phản ứng song song với bậc trộn lẫn

2.3 PHẢN ỨNG NỐI TIẾP

2.4 PHƯƠNG PHÁP NỒNG ĐỘ ỔN ĐỊNH VÀ CƠ CHẾ CỦA PHẢN ỨNG PHỨC TẠP

CHƯƠNG 3: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG – ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG

3.1.1 Định luật tác dụng khối lượng (Định luật Gunbe (Guldberfg) – Vagơ (Waage))

CHƯƠNG 4: MỘT SỐ BÀI TẬP MINH HỌA

b) Biện pháp thực hiện các giải pháp của đề tài

- Nghiên cứu lý luận:

+ Nghiên cứu lý luận về mục đích, yêu cầu, biện pháp phát hiện và bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học

+ Nghiên cứu lý luận về việc xây dựng hệ thống lý thuyết và bài tập phần

“Động hoá học và xúc tác”

+ Tìm hiểu tài liệu có liên quan đến đề tài: Sách, nội dung chương trình, tài liệu giáo khoa chuyên Hóa học, các đề thi Hóa học trong nước và quốc tế

- Nghiên cứu thực tiễn

+ Tìm hiểu thực tiễn giảng dạy và bồi dưỡng học sinh khá, giỏi ở các lớp chuyên, chọn Hóa học nhằm phát hiện vấn đề nghiên cứu

+ Trao đổi kinh nghiệm với các giáo viên có nhiều kinh nghiệm trong bồi dưỡng học sinh khá, giỏi, …

- Thực nghiệm sư phạm: Nhằm đánh giá hệ thống bài tập sưu tầm, biên soạn khi

áp dụng vào thực tế giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi để dự thi học sinh giỏi cấp tỉnh và cấp quốc gia

III HIỆU QUẢ CỦA ĐỀ TÀI

1 Về lí luận

Bước đầu sáng kiến kinh nghiệm đã xác định và góp phần xây dựng được một

hệ thống lý thuyết và bài tập về “Động hoá học và xúc tác” tương đối phù hợp với yêu cầu và mục đích bồi dưỡng học sinh giỏi Hóa học ở trường phổ thông và giảng dạy các lớp chuyên hiện nay

2 Về mặt thực tiễn

Nội dung của sáng kiến kinh nghiệm giúp giáo viên có thêm nhiều tư liệu bổ ích trong việc giảng dạy lớp chuyên và bồi dưỡng đội tuyển học sinh giỏi

IV ĐỀ XUẤT, KHUYẾN NGHỊ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG

1 Đối với Sở giáo dục và nhà trường

- Tổ chức nhiều đợt tập huấn báo cáo các chuyên đề dạy chuyên có chất lượng cao

và áp dụng vào giảng dạy cho học sinh các lớp chuyên

- Khuyến khích và tạo điều kiện để giáo viên đầu tư soạn giảng các tài liệu dạy chuyên có chất lượng và hiệu quả cao

2 Đối với giáo viên

- Luôn tự học tập để nâng cao trình độ chuyên môn nhằm đáp ứng với yêu cầu có thể soạn giảng và giảng dạy các lớp chuyên

- Đầu tư soạn giảng những tài liệu giảng dạy cho các lớp chuyên

V TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Bài tập Hóa học đại cương và vô cơ - Nguyễn Duy Ái, Đào Hữu Vinh - NXB Giáo dục, 2003

2 Đề thi học sinh giỏi Quốc Gia từ năm 1996 đến 2010

3 Hóa lý tập 2 (Động học và xúc tác) - PGS Trần Khắc Chương, PGS Mai Hữu Khiêm - Trường ĐH Bách Khoa TP HCM, 1999

4 Giáo trình Động học và xúc tác - Trần Khắc Chương - Trường ĐH Bách Khoa TP.HCM, 1979

5 Một số vấn đề chọn lọc của Hóa học Tập I - Nguyễn Duy Ái, Nguyễn Tinh Dung, Trần Thành Huế, Trần Quốc Sơn, Nguyễn Văn Tòng - NXB Giáo dục, 2004

6 Tài liệu giáo khoa chuyên Hóa học 10 - Đào Hữu Vinh, Nguyễn Duy Ái - NXB Giáo dục, 2002

NGƯỜI THỰC HIỆN

NGUYỄN NGỌC BẢO TRÂN

SỞ GD&ĐT ĐỒNG NAI

Đơn vị : Trường THPT

chuyên Lương Thế Vinh

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Đồng Nai, ngày 29 tháng 04 năm 2012

PHIẾU NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM

Năm học: 2011 - 2012

–––––––––––––––––

Tên sáng kiến kinh nghiệm: ĐỘNG HÓA HỌC VÀ XÚC TÁC BỒI DƯỠNG HỌC

SINH GIỎI

Họ và tên tác giả: NGUYỄN NGỌC BẢO TRÂN Chức vụ: Giáo viên.

Đơn vị: Trường THPT chuyên Lương Thế Vinh.

Lĩnh vực: (Đánh dấu X vào các ô tương ứng, ghi rõ tên bộ môn hoặc lĩnh vực khác)

- Quản lý giáo dục  - Phương pháp dạy học bộ môn: Hoá học 

- Phương pháp giáo dục  - Lĩnh vực khác:  Sáng kiến kinh nghiệm đã được triển khai áp dụng: Tại đơn vị  Trong Ngành 

1 Tính mới (Đánh dấu X vào 1 trong 2 ô dưới đây)

- Có giải pháp hoàn toàn mới 

- Có giải pháp cải tiến, đổi mới từ giải pháp đã có 

2 Hiệu quả (Đánh dấu X vào 1 trong 4 ô dưới đây)

- Hoàn toàn mới và đã triển khai áp dụng trong toàn ngành có hiệu quả cao 

- Có tính cải tiến hoặc đổi mới từ những giải pháp đã có và đã triển khai áp dụng trong toàn ngành có hiệu quả cao 

- Hoàn toàn mới và đã triển khai áp dụng tại đơn vị có hiệu quả cao 

- Có tính cải tiến hoặc đổi mới từ những giải pháp đã có và đã triển khai áp dụng tại đơn vị có hiệu quả 

3 Khả năng áp dụng (Đánh dấu X vào 1 trong 3 ô mỗi dòng dưới đây)

- Cung cấp được các luận cứ khoa học cho việc hoạch định đường lối, chính sách:

Tốt  Khá  Đạt 

- Đưa ra các giải pháp khuyến nghị có khả năng ứng dụng thực tiễn, dễ thực hiện và

dễ đi vào cuộc sống: Tốt  Khá  Đạt 

- Đã được áp dụng trong thực tế đạt hiệu quả hoặc có khả năng áp dụng đạt hiệu quả trong phạm vi rộng: Tốt  Khá  Đạt 

XÁC NHẬN CỦA TỔ CHUYÊN MÔN

(Ký tên và ghi rõ họ tên) (Ký tên, ghi rõ họ tên và đóng dấu)THỦ TRƯỞNG ĐƠN VỊ

CHƯƠNG 1: ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA ĐỘNG HỌC CHO CÁC PHẢN ỨNG ĐƠN GIẢN

Phản ứng đơn giản là phản ứng một chiều, xảy ra theo một giai đoạn từ chất tham gia phản ứng ban đầu cho ra sản phẩm cuối

Phản ứng đơn giản thường ít gặp, đa số các trường hợp chúng chỉ là các giai đoạn riêng của quá trình hóa học phức tạp Ở đây chúng ta xem xét các qui luật phát triển phản ứng theo thời gian khi bậc động học trùng hợp với phân tử số, như bậc một, bậc hai và bậc ba – trùng hợp với phản ứng đơn, lưỡng và tam phân tử Thường gặp hơn cả là phản ứng bậc nhất và bậc hai, còn phản ứng bậc khác rất ít gặp

Biểu thức (1.3) được biểu diễn bằng đồ thị trên hình (1.1) Đồ thị cho thấy trong phản ứng bậc nhất nồng độ chất phản ứng giảm lũy thừa theo thời gian t.

τ : thời gian sống trung bình của phân tử chất phản ứng trong phản ứng bậc 1.

Phương trình (1.4) cho phép hiểu được ý nghĩa vật lý của hằng số tốc độ phản

ứng bậc 1

Cũng từ (1.2) nếu đặt CoA/CA = 2 thời gian ứng với nó là t1/2

t1/2 =

1 1

693 , 0 2 ln

k

t1/2 : thời gian bán hủy hay còn gọi là chu kỳ bán hủy, tức là thời gian mà nồng độ

chất phản ứng giảm đi một nửa

T 2T1/2 3T1/2 4T1/2 5T1/2 6T1/2

thời gian, t Hình 1.1 Sự phụ thuộc của nồng độ chất phản ứng theo thời gian

t1/2: chu kỳ bán hủy của chất A; CoA: Nồng độ đầu của chất A

Gần như hầu hết các quá trình phân hủy các chất phóng xạ thành đơn nguyên

tử, đơn phân tử, đơn hạt nhân là các quá trình phản ứng bậc nhất Ví dụ phân hủy Radon 222

Ví dụ: Phản ứng phân hủy oxit nitơ N2O5 diễn ra trong pha khí, là một phản ứng khá lý thú:

N2O5 → N2O4 +

2

1

O2

nó cũng diễn ra tương tự trong các dung môi trơ khác nhau

Tốc độ của phản ứng có thể xác định được dễ dàng Đây là phản ứng bậc nhất (trừ trường hợp áp suất thấp), sản phẩm cuối là oxi và hỗn hợp N2O4 và NO2 (do có xảy ra phản ứng N2O4  2NO2)

Phản ứng diễn ra như sau:

k1

giây-1.104

(3)

tgiây(1)

xmmHg(2)

Trên cơ sở số liệu thu được đó (cột 1, 2 bảng 1.1) có thể dựng giản đồ quan hệ t

– log (CoA – x) theo phương trình t = 2,303log 2303log( )

1 1

x C k

10 ).

84 12

= - 18,023.103

=> k1 = 18 , 023 10 3

303 , 2

−

−

= 1,28.10-4 giây-1

Phản ứng bậc 2 còn gặp trong các phản ứng lưỡng phân tử với sự tham gia của các nguyên tử và các gốc tự do Việc nghiên cứu tốc độ của các phản ứng này trở nên rất khó khăn về phương diện thực nghiệm, người ta chỉ thu được kết quả trong khoảng thời gian gần đây Ví dụ các phản ứng sau:

Chúng ta xem xét các phản ứng bậc 2 trong trường hợp đơn giản: chỉ có một chất phản ứng duy nhất, hay phản ứng có chứa cùng lượng ban đầu chất phản ứng Dạng phản ứng loại này có thể mô tả:

Từ các phương trình nêu trên có thể xác định chu kỳ bán hủy t1/2 nếu thay CA =

A A

+ +

= + +

J C

I C

Tích phân phương trình (1.14) từ điểm đầu: CA = C0A khi t = 0 thu được:

k t

C C

C C

A A

A A

2 0

0

) (

) (

ln

+

+ θ

θ θ

Thay giá trị vào phương trình trên, thu được:

k t

C C

C C C

B A A B

2 0

0 0

ln

B A

B

C

C t k C C C

C

0

0 2

phụ thuộc tuyến tính vào

thời gian Đường biểu diễn có độ đốc bằng (C0B – C0A).k2 và cắt trục tung tại ln

Lưu ý rằng, khi nồng độ đầu của một chất lớn hơn chất kia rất nhiều, ví dụ C0B

>> C0A và vì C0A > C0A – CA nên tương ứng có thể xem lượng B đã phản ứng không đáng kể, tức là CB ≈C0B và

phương trình (1.15) viết gọn

lại:

C C

C C C

B A A

B

2 0

0 0

0

ln

0

ln 1

Vậy khi nồng độ ban đầu

của một chất lớn hơn nồng độ

đầu của chất kia nhiều, thì

phương trình động học của phản ứng một chiều bậc hai có dạng như phương trình

log[(a-x)/(b-x)]

8 6 4 2

t.10 -2 giây

Hình 1.5 Phản ứng thủy phân etyl axetat trong bazơ

ở 25,8 0 C

độc học của phản ứng điển hình bậc 1 Thuộc loại này có thể thấy ví dụ phản ứng thủy phân đường Khi C H O

Sử dụng phương trình động học dạng tích phân phản ứng bậc 2:

log (( ))

) (

303 , 2 ) (

) ( ln ) (

1

2

x b a

x a b b a t x b a

x a b b a t

Bảng 1.2 Thủy phân etyl axetat trong bazơ ở 15,80C

a = 0,01211 mol este/l; b = 0,02578 mol bazơ/l

t

giây

xmol/l

a – xmol/l

b – xmol/l

kl/mol.giây

3A → sản phẩm (a)

2A + B → sản phẩm (b)

A + B + C → sản phẩm (c)

Biểu thức tốc độ trong ba trường hợp có thể viết:

3

3 A

A k C dt

Ở đây nghịch đảo của bình phương nồng độ phụ thuộc tuyến tính vào thời gian,

nên có thể xác định được nếu sử dụng giản đồ với các trục tọa độ: t

2NO + O2 → 2NO2

Phương trình động học có dạng:

2 2 2

3 NO O NO

C C k dt

Đặc biệt, các phản ứng kết hợp nguyên tử và các gốc tự do thành phân tử theo phản ứng bậc ba có thể nói là khá nhiều.

dC

2 3

Ví dụ phản ứng hình thành photgen trong pha khí:

CO + Cl2 → COCl2

bậc phản ứng n = 3/2 còn có thể gặp trong nhiều phản ứng xúc tác dị thể khác nhau

Để tổng quát, xét trường hợp tốc độ phản ứng phụ thuộc bậc n nói chung vào nồng độ Ci của một chất i:

1

−

n oi

C = (n-1)knt (nếu n # 1) (1.23) Thời gian bán hủy t1/2 có thể tính được khi thay Ci =

2

oi

C

vào phương trình (1.23)

oi n

khác như lượng ánh sáng bị hấp thụ trong sự xúc tác Cũng có trường hợp tốc độ phản ứng là hằng số hay được coi là hằng số vì nồng độ chất phản ứng thay đổi không đáng kể, chẳng hạn sự thủy phân chất béo rắn trong một lượng lớn nước ở nhiệt độ không cao.

Nói chung phản ứng bậc không có phương trình động học:

1 2

n

C k

Với giá trị cụ thể của n, ta trở lại các trường hợp đã xét ở trên

Bảng 1.3 Phương trình động học dạng tích phân các phản ứng đơn giản

k =

1

693 , 0

oB oA

C x C

x C C

) (

( ln

) (

1

1

) 1 (

1 2

n

C k n

1.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀ XÁC ĐỊNH BẬC PHẢN ỨNG

1.6.1 Đo tốc độ phản ứng

Có rất nhiều phương pháp xác định tốc độ phản ứng, song nhiệm vụ chủ yếu bao gồm việc xác định thành phần của hệ (trong đó diễn ra sự biến đổi hóa học) theo thời gian Các phương pháp phân tích được sử dụng trong động học có thể phân thành 2 nhóm: hóa học và hóa lý Riêng các phương pháp phân tích hoa lý không xác định trực tiếp biến đổi lượng các chất mà thông qua sự biến đổi tính chất vật lý của hệ theo thời gian

Các phương pháp hóa học cho phép trực tiếp xác định sự biến đổi lượng các chất theo thời gian Các mẫu phân tích được lấy trực tiếp từ bình phản ứng theo thời gian xác định Các mẫu được đem phân tích để đánh giá hàm lượng của chất phản ứng và sản phẩm Để đánh giá đúng thời điểm từng phản ứng phải làm cho phản ứng ngừng diễn ra bằng các cách: làm lạnh nhanh, pha loãng hay chuyển hóa một chất phản ứng nào đó sang dạng không có khả năng tương tác Cũng có trường hợp định phân trực tiếp trong hệ với sự có mặt của lượng nhỏ chất chỉ thị, phương pháp này có ưu điểm là rẻ, đơn giản và độ chính xác cao

Các phương pháp vật lý thông qua việc xác định biến đổi các thông số vật lý có liên quan trong hệ phản ứng, có thể chia thành các nhóm:

- Đo áp suất, nếu trong hệ có sự biến đổi phân tử trong quá trình phản ứng

- Đo thể tích, nếu phản ứng trong pha lỏng có tạo ra một loại khí nào đó thì dựa theo sự biến đổi thể tích của khí thoát ra có thể xác định được tốc độ phản ứng.

- Đo sự quay cực quang học, nếu trong phản ứng có sự tham gia của chất hoạt động quang học Ví dụ trong phản ứng thủy phân đường saccarozơ

Tương tự, còn sử dụng các phương pháp đo độ dẫn điện, mật độ quang, chiết suất, của các hệ để xác định tốc độ của phản ứng Bằng phương pháp vật lý có thể tiến hành xác định ngay trong bình phản ứng với thể tích bất kỳ, liên tục, nhưng cần biết qui luật quan hệ giữa tính chất vật lý và nồng độ các chất tham gia phản ứng hay sản phẩm Tuy vậy, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng nên cần thực hiện đồng thời một số phương pháp để bổ sung cho nhau

Giản đồ 1.6 mô tả sự phụ thuộc của nồng độ chất tham gia phản ứng hay sản phẩm phản ứng theo thời gian Tốc độ của phản ứng tính theo tiếp tuyến của đường cong ứng với thời điểm xác định

Ví dụ: Phản ứng phân hủy hiđropeoxit: H2O2

8400 0

060 , 0 156 , 0

−

−

= 1 , 14x10 − 5mol/giây tại t = 6.000 (giây) có:

dt

dC H O

2 2

11300 0

060 , 0 142 , 0

Co = X∞- Xo và C = X∞- X

1.6.2 Xác định bậc phản ứng

1.6.2.1 Phương pháp vi phân

Hệ số hợp thức phức tạp và sự tăng bậc phản ứng không những chỉ làm khó khăn cho việc xác định sự phụ thuộc nồng độ của các chất vào thời gian, mà còn dẫn đến nhiều dạng phức tạp của phương trình tích phân Để giảm bậc phản ứng trong khi khảo sát và đơn giản hóa trong phân tích phương trình động học người ta

sử dụng phương pháp cô lập hay có tác giả gọi là phương pháp xác định “bậc phản ứng giả”, bậc “biểu kiến” của phản ứng

nhanh phản ứng với sản phẩm tái sinh lại chất phản ứng, nhờ vậy nồng độ chất phản ứng gần như không đổi Cũng có thể tiến hành tương tự để xác định n2.

Nhờ vào phương pháp cô lập để giảm bậc phản ứng nên phương trình động học

có thể đưa về dạng đơn giản:

v = A kC Aβ

dt

− (1.29)

trong đó βlà bậc của chất phản ứng có mặt với nồng độ rất nhỏ hay có thể là bậc

chung của phản ứng Trên cơ sở đó có hai phương pháp xử lý là phương pháp Van t’Hoff và phương pháp nồng độ đầu

Theo phương pháp Van t’Hoff, để xác định β cần biết nồng độ Ci và tốc độ v

ứng với các thời điểm khác nhau t1, t2, t3 (như hình 1.6) và tính tốc độ phản ứng theo phương pháp động học như 1.6.1 đã giới thiệu

Ứng với các thời điểm khác nhau trên đồ thị, lấy logarit phương trình (1.29) cho các giá trị tương ứng sau:

1 / ln ln

C

C v

v

(1.31) Hay có thể dụng đồ thị theo quan hệ lnvi = f(lnCi) và xác định β= tgα trong đó

α là góc nghiêng của đường thẳng.

Phương pháp các nồng độ đầu cũng tương tự phương pháp nói trên, song sử dụng tốc độ bắt đầu phản ứng

α =

)

"

/ ' ln(

)

"

/ ' ln(

0 0

0 0

A A

v v

(1.33) Vậy tương tự có thể tìm các bậc khác còn lại

Thực nghiệm cần chọn nồng độ đầu (ví dụ chất A) khác nhau không quá nhỏ, vì

có thể sai sót lớn trong xác định tốc độ mà làm cho tính bậc phản ứng (như α) có

thể có sai số rất lớn Mặt khác, nồng độ đầu khác biệt nhau cũng không nên quá lớn vì có thể dẫn đến phản ứng không tuân theo phương trình (1.32) do cơ chế phản ứng có thể khác

1.6.2.2 Phương pháp tích phân (hay phương pháp thay thế)

Trên cơ sở các phương trình động học dạng tích phân (1.4), (1.11), (1.17) và (1.23) bậc một, hai và n xem xét các hằng số tốc độ phản ứng tương ứng với số lượng lớn các điểm thực nghiệm Trong trường hợp ki là hằng số thì phương trình bậc phản ứng được chọn đó là thích hợp Có thể thực hiện phương pháp khác là dựng các giản đồ dựa vào lượng lớn số liệu thực nghiệm theo các trường hợp tương ứng của các bậc như hình (1.2), (1.3), (1.4), Nếu đồ thị dựng được là đường thẳng thì bậc giả thiết đó chính là bậc của phản ứng

1.6.2.3 Phương pháp thời gian chuyển hóa 1/q phần của chất phản ứng

Phương trình động học có dạng: n

i

i kC dt

n oi

n

i C C

tại thời điểm t1/q đã chuyển hóa được 1/q phần chất phản ứng

1

n n

oi

q

q n

Sau khi lấy logarit được phương trình:

lnt1/q = lnQ + (1-n)lnCoi (1.35)

trong đó Q là hằng số (được gộp chung lại, nó là

q

q n

Thực tế người ta chọn các nồng độ đầu Coi và tìm thời gian chuyển hóa 1/q phần chất phản ứng, dựng đường thẳng trên tọa độn lnt1/q – lnCoi, từ đó xác định được (1-n) Thông dụng nhất theo phương pháp này là sử dụng chu kỳ bán hủy t1/2, tức là 1/q = ½

Trường hợp đó phương trình (1.34) được về dạng (1.24) và phương trình đường thẳng sau khi lấy logarit là:

lnt1/2 = oi

n

n

C n n

k ( 1 ) (1 )ln

1 2 ln

1

− +

−

−

−

(1.36) Bậc phản ứng n có thể giải theo phương pháp đại số Phương pháp này cũng có thể được liệt vào phương pháp tích phân

Ví dụ: Trong phản ứng giữa NO với H2, giá trị tốc độ -dp/dt đã tìm được khi P H2= const là:

25 , 0 log 50 1

79 , 0 log 60 1

−

−

Vậy: nNO = 2; n H2= 1 và bậc tổng quá trình là n = 1 + 2 = 3

CHƯƠNG 2: ÁP DỤNG ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA

ĐỘNG HỌC CHO PHẢN ỨNG PHỨC TẠP

Phản ứng giữa các chất trong đa số các trường hợp là các quá trình hóa học nhiều giai đoạn Phản ứng diễn ra ít nhất là hai giai đoạn trở lên được gọi là phản ứng phức tạp Khi nghiên cứu các phản ứng phức tạp người ta sử dụng qui tắc độc lập, đây có thể xem là một tiên đề của động hóa học

Qui tắc đó là: Nếu trong hệ thống xảy ra một số phản ứng, thì mỗi phản ứng trong đó đều tuân theo định luật tác dụng khối lượng và diễn ra độc lập nhau Sự biến đổi tổng cộng của hệ là tổng của sự biến đổi độc lập đó.

Qui tắc không phải luôn đúng, nhưng đã được thực nghiệm xác minh trong nhiều trường hợp và nó được sử dụng khá rộng rãi Riêng các trường hợp ta sẽ xem xét sau đây cũng hoàn toàn tuân theo qui tắc độc lập đã nói đến ở trên

k k

1

2

' 1 2

1v.C v k'C v .C v

trong đó k và k’ là hằng số tốc độ của phản ứng thuận và nghịch

Giả thiết ở thời điểm đầu khi t = 0, nồng độ sản phẩm Ck = 0, khi đó tốc độ phản ứng v có giá trị cực đại Theo thời gian, tốc độ phản ứng chậm dần, cho đến

khi tốc độ hai phản ứng thuận và nghịch bằng nhau, từ điều kiện v = 0, phản ứng đạt đến cân bằng Khi cân bằng từ điều kiện v = 0, rút ra:

1 2 ' 1 ' 2

2

' 1 2

1

v v v

C C

v v

v v

=

=

'

.

2 1

2 1

2 1

' 2

'

với K là hằng số cân bằng Đối với phản ứng cho sẵn K chỉ phụ thuộc nhiệt độ, không phụ thuộc nồng độ, nói cách khác tỉ số nồng độ mô tả bởi biểu thức (2.2) có giá trị không đổi, không phụ thuộc vào trị tuyệt đối của Ci và C’k cũng như không phụ thuộc vào cách đi đến cân bằng từ phía thuận hay phía nghịch

Để minh họa có thể lấy ví dụ phản ứng thuận nghịch H2 + I2  2HI Đây là phản ứng đơn giản, lưỡng phân tử điển hình

Sau đây xét phương trình động học của phản ứng thuận nghịch bậc nhất và bậc hai

k k

Nếu xem x là độ giảm của nồng độ chất A và cũng chính là độ tăng của nồng độ chất B thì nồng độ các chất tại thời điểm t là:

Chuyển vế và lấy tích phân với cận tương ứng từ t = 0 đến t và từ x = 0 đến x, thu được:

dt x k k C

k C

x k k C

k C k

B A

oB

'

' )

' (

0 1 0 1

1 1 1

B oA

B A

C k C

k

C k C

k

0 1 1

1 1

X C C

C

oA

oB Acb

Ở đây K là hằng số cân bằng như phương trình (2.2) đã dẫn ra

Mối quan hệ này đúng cho phản ứng trong pha khí và cả trong dung dịch loãng Vậy hằng số cân bằng là tỉ số của hằng số tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch

Chia tử và mẫu số phương trình (2.5) chi k’1 và thay các giá trị hằng số cân bằng theo phương trình (2.6), sau đó chuyển về dạng logarit sẽ có phương trình:

Khi k1 >> k’1 thì phương trình (2.3), (2.4), (2.5) có thể chuyển về dạng phương trình động học như phản ứng một chiều bậc 1

Loại phản ứng này có thể rất nhiều, đặc biệt là trong dung dịch, ví dụ các loại phản ứng chuyển hóa đồng phân cis và trans như 1,2-điphenyletylen:

k k

→ 2NO2

Phản ứng trên theo chiều thuận bậc một và theo chiều nghịch là bậc hai Phản ứng bậc hai thuận và nghịch điển hình là phản ứng hình thành và phân hủy HI: 2HI 2

' 2

k k

2 ' )

2

2 ' )

C k

trong đó X∞là độ giảm của nồng độ HI ứng với trạng thái cân bằng Từ phương trình trên có mối quan hệ với hằng số cân bằng K:

k k' 4 (C o X X ) K1

2 2

C X

X X C C

C X t

X C C

o

o o

2

2 ln ) (

X t

C

X k

) (

ln ) 2

(

1

X X C

X C X X C X

C t

X k

o

o o

X C X C C

C X t X C C

2 ln ) (

trong đó chất A phản ứng theo hai hướng khác nhau với hằng số tốc độ k1 và k’1

'

k

k dC

Theo điều kiện cân bằng vật chất ta có:

1 1

thay vào (2.12) thu được CC = [ k k t]

oA e C k k

1 1

2.2.2 Phản ứng song song bậc hai

Xét trường hợp hai phản ứng bậc hai lưỡng phân tử xảy ra theo sơ đồ:

dC dt

dC dt

dC

) ' ( 2+ 2

'

k

k C

A oB oB

C C C

C t k

) (

1 '2

Dựa vào (2.19) tính được k=k2 +k' 2và theo phương trình (2.18) tính được 2

2/ k'

k Từ đó suy ra giá trị riêng biệc của k2 và k’2

Trong hai trường hợp đã xét của phản ứng song song bậc nhất và bậc hai có thể nhận thấy cách biến đổi toán học của các phương trình hoàn toàn tương tự như trường hợp phản ứng bậc nhất và bậc hai đã xét ở phần 1.1 và 1.2, chỉ khác là hằng

Nếu phản ứng song song xảy ra theo nhiều hướng khác nhau thì k =∑k i.

Khi phản ứng xảy ra theo sơ đồ (b), sẽ có dạng phương trình:

D B k C A C B

dt

dC dt

dC dt

dC

) '

oB

B oC

C

C

C C

với CoB và CoC là nồng độ ban đầu của B và C

Công thức (2.22) cho phép biểu diễn nồng độ CC qua CB, còn nồng độ CA cũng

có thể biểu diễn qua CB nếu lưu ý sơ đồ phản ứng (b):

C A =C oA− (C oB −C B) − (C oC −C C)

2

2 / ' k k

oB

B oC oC B oB oA A

C

C C C C C C C







 +

− +

− +

2

k k

oB

B oC oC B oB oA B

B

C

C C C C C C C k dt

D

C

C k

k dC

dC

2

2

'

Nếu ban đầu nồng độ các chất tuân theo điều kiện CoA << CoB và CoA << CoC;

CoD = CoE = 0 thì tích phân phương trình trên được:

oB

oC C

D

C

C C

C k

k

'2