XÂY DỰNG hệ THỐNG bài tập ĐỘNG học hóa lý 1 GIÚP NÂNG CAO KHẢ NĂNG tự học của SINH VIÊN

60 Bảng 4: Bảng xác định độ khó của bài tập xác định năng lượng hoạt hóa và sự phụ thuộc hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ.. Đánh giá độ khó hệ thống bài tập xác định năng lượng hoạt

Trang 1

CỦA SINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành: Hóa học

Người hướng dẫn khoa học THS TRẦN QUANG THIỆN

Trang 2

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP K37A-HÓA

và tự tin

Xin chân thành cảm ơn các bạn sinh viên K39 - Hóa tạo điều kiện thuận lợi để tôi tiến hành thực hiện khóa luận

Con xin chân thành cảm ơn bố mẹ cùng toàn thể gia đình, xin cảm ơn bạn bè đã

hỗ trợ động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Do kiến thức còn hạn hẹp và thời gian gấp rút nên đề tài của tôi vẫn còn rất nhiều thiếu sót, em rất mong nhận đƣợc sự góp ý của các thầy cô,và mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của các bạn để đề tài của tôi đƣợc hoàn thiện nhất

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Xuyên

Trang 3

DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU

Hình1 Đồ thị của phản ứng bậc một- Nồng độ chất phản ứng giảm theo hàm mũ với

thời gian 10

Hình2 Đồ thị phản ứng bậc 2 trường hợp v = kC2 (tan = k) 11

Hình3 Đồ thị phản ứng khử trôpêôlin bằng HCOOH……… 29

Hình 4 Đồ thị lgk – 1/T 31

Hình 4 Đồ thị sự phụ thuộc của lnk vào 1/T Đồ thị lgk – 1/T……… 53

Bảng 1: Bảng đánh giá độ khó của hệ thống bài tập cho sinh viên K39 42

Bảng 2: Bảng đánh giá độ khó của hệ thống bài tập 43

Bảng 3: Bảng đánh giá độ khó của bài tập xác định bậc và hằng số tốc độ phản ứng 60

Bảng 4: Bảng xác định độ khó của bài tập xác định năng lượng hoạt hóa và sự phụ thuộc hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ 61

Bảng 5: Bảng đánh giá độ khó bài tập phản ứng phức tạp 62

Bảng 6: Bảng đánh giá độ khó bài tập chứng minh công thức hay xác định phương trình động học 63

Bảng 7: Bảng đánh giá kết quả tự học của sinh viên K39 – Hóa thông qua kết quả thi cuối kỳ 64

Trang 4

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phương pháp nghiên cứu 2

4 Đối tượng – phạm vi nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1.Tổng quan về vấn đề tự học 3

1.1.1.Quan niệm về vấn đề tự học 3

1.1.1.1 Khái niệm tự học 3

1.1.1.2.Tác dụng của tự học 3

1.1.2.Tác dụng của bài tập đến vấn đề tự học của sinh viên 4

1.1.2.1.Khái niệm bài tập 4

1.1.2.2 Tác dụng của bài tập hóa học 4

1.1.2.3.Tác dụng của bài tập hóa học đối với vấn đề tự học của sinh viên 5

1.2 Một số nội dung của Động hóa học 5

1.2.1.Một số khái niệm cơ bản 5

1.2.1.1 Tốc độ phản ứng 5

1.2.1.2 Bậc và phân tử số của phản ứng 7

1.2.1.3 Phân loại phản ứng hóa học 7

1.2.2.Động học của các phản ứng 8

1.2.2.1 Động học của phản ứng đơn giản 8

1.2.2.2 Động học của phản ứng phức tạp 14

1.2.3 Lý thuyết về tốc độ phản ứng 18

1.2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng 18

Trang 5

1.2.3.2 Lý thuyết tốc độ phản ứng 19

1.2.4 Phản ứng dây chuyền 22

1.3 Hệ thống bài tập Động hóa học 25

1.3.1 Xác định bậc và hằng số tốc độ phản ứng 25

1.3.1.1.Phương pháp thế 26

1.3.1.2 Phương pháp đồ thị 27

1.3.1.3 Phương pháp thời gian nửa phản ứng 29

1.3.2 Xác định năng lượng hoạt hóa, sự phụ thuộc hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ, biến thiên entropi phản ứng 30

1.3.2.1 Phương pháp đồ thị 30

1.3.2.2 Phương pháp xác định hằng số tốc độ phản ứng ở 2 nhiệt độ 32

1.3.3 Bài tập về phản ứng phức tạp 33

1.3.3.1 Bài tập phản ứng thuận nghịch 33

1.3.3.2 Bài tập phản ứng song song 34

1.3.3.3 Bài tập phản ứng nối tiếp 35

1.3.4 Chứng minh biểu thức từ dữ kiện cho trước hoặc bài tập cho cơ chế, xác định phương trình động học 36

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 38

2.1 Phương pháp nghiên cứu 38

2.1.1 Phương pháp thống kê 38

2.1.2 Phương pháp xây dựng bài tập hóa học 39

2.2 Thực nghiệm 40

2.2.1 Xây dựng hệ thống bài tập 40

2.2.1.1 Cơ sở xây dựng một bài tập hóa học 40

2.2.1.2.Cơ sở đánh giá bài tập hóa học 41

2.2.2 Đánh giá khả năng tự học dựa trên kết quả thi cuối kỳ của sinh viên K39 43

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44

Trang 6

3.1 Đánh giá hệ thống bài tập 44 3.1.1 Hệ thống bài tập dùng để đánh giá kết quả tự học của sinh viên 44 3.1.1.1 Bài tập xác định bậc và hằng số tốc độ phản ứng 44 3.1.1.2 Bài tập xác định năng lượng hoạt hóa, sự phụ thuộc năng lượng hoạt hóa vào nhiệt độ 48 3.1.1.3 Bài tập phản ứng phức tạp 51 3.1.1.4 Bài tập chứng minh cơ chế từ dữ kiện cho trước và bài tập cho cơ chế, xác định phương trình động học 55 3.1.2 Đánh giá độ khó của hệ thống bài tập cho sinh viên 60 3.1.2.1 Đánh giá độ khó của hệ thống bài tập xác định bậc và hằng số tốc độ phản ứng 60 3.1.2.2 Đánh giá độ khó hệ thống bài tập xác định năng lượng hoạt hóa, sự phụ thuộc hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ 61 3.1.2.3 Đánh giá độ khó bài tập phản ứng phức tạp 62 3.1.2.4 Đánh giá độ khó bài tập chứng minh công thức hay xác định phương trình động học 63 3.1.3 Đánh giá kết quả tự học của sinh viên K39 – Hóa thông qua kết quả thi cuối

kỳ 64 KẾT LUẬN 66

Trang 7

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hóa lý 1 là một học phần cơ bản trong chương trình đào tạo đại học của ngành Hóa học trong trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 Học phần này gồm những nội dung chính là Nhiệt động học, động hóa học và xúc tác Trong đó phần động hóa học bao gồm nhiều nội dung quan trọng như động học của các phản ứng đơn giản và phức tạp, lý thuyết về tốc độ phản ứng, phản ứng quang hóa và phản ứng dây chuyền [4] Việc học hiệu quả môn học này giúp sinh viên có một nền tảng vững chắc giúp ích cho việc học tập và nghiên cứu sau này Nắm vững lý thuyết cơ bản và vận dụng để giải được bài tập

là vấn đề cốt lõi để hiểu được môn học này Tuy nhiên, với chính sách mới hiện nay của

Bộ Giáo dục và Đào tạo, chúng ta đã chuyển sang đào tạo đại học với hình thức tín chỉ, lấy người học làm trung tâm Hình thức đào tạo này còn nhiều mới mẻ và yêu cầu sinh viên phải tự giác, chủ động trong học tập nhiều hơn, và tự học là điều tất yếu

Khả năng tự học của sinh viên phụ thuộc vào nhiều yếu tố như ý thức tự học của sinh viên, nội dung môn học, điều kiện ngoại cảnh… Việc ý thức được tầm quan trọng của kiến thức để rèn luyện cho bản thân là rất quan trọng cho khả năng tự học Đó không phải là việc ghi ghi, chép chép, học thuộc lòng những gì thầy nói trên lớp hay lên mạng tìm tài liệu, nó phải là kết quả lâu dài của việc hiểu kiến thức và vận dụng giải bài tập

Học tập hiệu quả các môn học nói chung, và Hóa lý 1 nói riêng, sinh viên đòi hỏi phải dành nhiều thời gian cho việc học ở nhà, và đó không phải việc dề dàng với sinh viên K39 - Hóa, những bạn vừa mới làm quen với môn học chuyên ngành này sau năm đầu học các môn đại cương Để giúp các bạn có thêm tham khảo về cách tự học ở nhà đạt hiệu quả cao cho môn Hóa lý 1, đặc biệt là phần Động học, một trong những

phần chứa những kiến thức căn bản, tôi đã nghiên cứu đề tài “ Xây dựng hệ thống bài tập phần Động học – Hóa lý 1 giúp nâng cao khả năng tự học của sinh viên”

Trang 8

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng hệ thống bài tập phần tốc độ phản ứng, động học của các phản ứng đơn giản, phức tạp, phản ứng dây chuyền để giúp nâng cao khả năng tự học phần Động học của sinh viện K39-Hóa

3 Phương pháp nghiên cứu

 Hệ thống hóa lại kiến thức

 Nghiên cứu và phân loại bài tập theo các dạng và theo mức độ khó khác nhau như ở cấp độ cơ bản và vận dụng

4 Đối tượng – phạm vi nghiên cứu

Sinh viên 2 lớp tín chỉ K39 - Hóa Khoa Hóa học-Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội 2 ( HH312.K39HOA.3_LT.O.LT và HH312.K39HOA.4_LT.O.LT)

Trang 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1.Tổng quan về vấn đề tự học

1.1.1.Quan niệm về vấn đề tự học

1.1.1.1 Khái niệm tự học [16]

Tuy đã được nghiên cứu từ rất lâu và nhiều trên thế giới nhưng tự học (learner autonomy) lại là một thuật ngữ gây nhiều tranh luận, do đó tự học là một khái niệm mà các nhà giáo dục học và ngôn ngữ học chưa được thống nhất về một định nghĩa cụ thể

Một số nhà nghiên cứu nổi tiếng đã định nghĩa về tự học như sau:

Tự học là khả năng tự lo cho việc học của chính mình

Tự học là tình huống trong đó người học hoàn toàn chịu trách nhiệm về mọi quyết định liên quan tới việc học và thực hiện những quyết định đó

Tự học là sự tự nhận thức về quyền của người học trong hệ thống giáo dục

Trang 10

Tự học giúp sinh viên tự biết phân bổ thời gian của mình sao cho hợp lý và đạt được hiệu quả tối ưu nhất

“Tự học là con đường đi tới mọi thành công trong cuộc sống Tự học giúp ta chủ động tìm hiểu, thu thập kiến thức, tự làm giàu kho kiến thức của mình.” [19]

1.1.2.Tác dụng của bài tập đến vấn đề tự học của sinh viên

1.1.2.1.Khái niệm bài tập

Bài tập là bài giao cho học sinh làm để vận dụng kiến thức đã học, còn bài toán

là vấn đề cần giải quyết bằng phương pháp khoa học

Theo các nhà lý luận dạy học Liên Xô cũ, bài tập bao gồm cả câu hỏi và bài toán, mà trong khi hoàn thành chúng, học sinh nắm được hay hoàn thành một tri thức hoặc một kỹ năng nào đó bằng cách trả lời vấn đáp, trả lời viết hoặc có kèm theo thực nghiệm

Hiện nay,ở nước ta thuật ngữ bài tập được dùng theo quan điểm này

1.1.2.2 Tác dụng của bài tập hóa học

Rèn luyện cho học sinh khả năng vận dụng các kiến thức đã học qua các bài giảng thành kiến thức của bản thân

Đào sâu và mở rộng các kiến thức đã học một cách sinh động, phong phú, hấp dẫn

Ôn tập, củng cố và hệ thống hóa các kiến thức đã học một cách thuận lợi nhất, rèn luyện kỹ năng tính toán, kỹ năng thực hành

Phát triển năng lực nhận thức, trí thông minh, sáng tạo, phát huy tính tích cực,

tự lực và hình thành phương pháp học tập riêng biệt, hiệu quả cao

Rèn luyện cho học sinh tính kiên trì, kiên nhẫn, linh hoạt, chính xác và khoa học, tác phong lao động nghiêm túc, gọn gang, ngăn nắp, sạch sẽ

Trang 11

Nâng cao hứng thú, yêu thích với môn hóa học nói riêng và các môn học khác nói chung

1.1.2.3.Tác dụng của bài tập hóa học đối với vấn đề tự học của sinh viên [7]

Bài tập hóa học là một phần không thể thiếu dành cho sinh viên tự học ở nhà, nó đem lại nhiều lợi ích đối với hiệu quả tự học của sinh viên:

Bài tập hóa học dùng để tái hiện lại kiến thức cơ bản, quan trọng, giúp sinh viên định hướng được các nội dung lý thuyết quan trọng cần nắm

Từ bài tập đó có thể xây dựng các tình huống học tập để xác định khả năng vận dụng các kiến thức của sinh viên

Làm tốt bài tập mẫu và những điều kiện quen thuộc giúp sinh viên có được kỹ năng giải bài tập một cách đúng đắn theo các bước xác định

Thông qua tự học các bài tập hóa học, sinh viên có được tính sáng tạo, tự kiểm tra và đánh giá năng lực của mình

Cũng thông qua bài tập hóa học, sinh viên có được năng lực phân tích, phát hiện vấn đề, vận dụng lý thuyết giải quyết vấn đề

1.2 Một số nội dung của Động hóa học

1.2.1.Một số khái niệm cơ bản

1.2.1.1 Tốc độ phản ứng [3, 4]

Định nghĩa:

ứng trong một đơn vị thể tích và đơn vị thời gian

Đối với phản ứng hóa học đồng thể xảy ra ở thể tích không đổi, tốc độ của quá trình tính theo chất nào đó là biến thiên nồng độ của chất đó trong một đơn vị thời gian

Trang 12

Tốc độ trung bình:

Giả sử nồng độ của một trong các chất phản ứng ở thời điểm t bằng C và ở thời điểm t + t bằng C - C, tốc độ phản ứng trung bình trong khoảng thời gian t ÷ (t + t) là:

= - (1.1) Tốc độ tức thời: Tốc độ của phản ứng ở thời điểm cho sẵn (tốc độ tức thời) là giới hạn của phản ứng (1.1) khi t  0:

= - (1.2) Đối với chất phản ứng dC < 0, nên muốn tốc độ là đại lượng dương cần viết dấu trừ Tốc độ phản ứng xác định theo (1.2) không đơn trị vì biến thiên nồng độ của các chất khác nhau phụ thuộc vào hệ số tỉ lượng

Nếu phản ứng được miêu tả bằng phương trình tỉ lượng:

Trang 13

v =k (1.4) Trong đó: k là hằng số tốc độ phản ứng Đối với một phản ứng giá trị của k chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ; là bậc đối với chất A,B Tổng là bậc của phản ứng có thể bằng hoặc không bằng tỷ lệ số lượng

1.2.1.2 Bậc và phân tử số của phản ứng [3, 4]

Bậc của phản ứng:

Từ (1.4) cho thấy: bậc của phản ứng là tổng các lũy thừa nồng độ của các chất tham gia phản ứng trong chương trình biểu diễn sự phụ thuộc tốc độ phản ứng vào nồng độ chất phản ứng

1.2.1.3 Phân loại phản ứng hóa học [3, 4, 6, 9]

Có rất nhiều cách để phân loại các phản ứng hóa học và dựa trên cơ chế phản ứng, người ta có thể chia phản ứng hóa học thành 2 loại là:

Phản ứng đơn giản (phản ứng sơ cấp)

Trang 14

Phản ứng đơn giản là phản ứng theo phương trình tỉ lượng biểu thị tác động hóa học cơ bản Trong trường hợp riêng này bậc và phân tử số phản ứng được biểu thị bằng cùng một số

Phương trình động học có dạng: v= k.[X]n

Trong đó: v là tốc độ phản ứng; k là hằng số tốc độ phản ứng; [X] là nồng độ chất ban đầu tham gia phản ứng; n là phân tử số của phản ứng

b.Phản ứng phức tạp

Khái niệm: Phản ứng phức tạp là những phản ứng không thỏa mãn điều kiện của phản ứng đơn giản và bao gồm: phản ứng thuận nghịch, phản ứng song song và phản ứng nối tiếp

Khác với phản ứng đơn giản, phản ứng phức tạp diễn ra qua nhiều giai đoạn trung gian, do đó phương trình phản ứng hóa học ở dạng tổng quát chỉ là sự tổ hợp của nhiều phản ứng trung gian và vì vậy, nó không biểu thị cơ chế phản ứng Trong trường hợp này bậc và cơ chế phản ứng không trùng nhau

Phương trình động học có dạng:

v= k.[X]m Trong đó: v là tốc độ phản ứng; k là hằng số tốc độ phản ứng; [X] là nồng độ chất ban đầu tham gia phản ứng; m là bậc của phản ứng

Trang 15

Ban đầu: a

Tại thời điểm t: a –x

Theo định nghĩa về tốc độ phản ứng và áp dụng định luật tác dụng khối lƣợng ta có:

a

Trong đó: a là nồng độ ban đầu của chất A tại thời điểm ban đầu t = 0; a-x là nồng độ tại thời điểm t; v là tốc độ phản ứng; k là hằng số tốc độ phản ứng; x là độ giảm nồng độ của A trong thời gian t; I là hằng số tích phân

Thời gian nửa phản ứng: là thời gian để nồng độ chất phản ứng giảm đi một nửa

Trang 16

Nhận xét: thời gian bán hủy của phản ứng bậc một là hằng số, nó không phụ thuộc vào nồng độvà tỉ lệ nghịch với hằng số tốc độ phản ứng

Đồ thị:

Hình1 Đồ thị của phản ứng bậc một- Nồng độ chất phản ứng giảm theo hàm mũ

với thời gian

Nhận xét: thời gian bán hủy tỉ lệ nghịch với nồng độ ban đầu của chất phản ứng

Trang 17

Trong đó: a là nồng độ ban đầu của A tại thời điểm t = 0; k là hằng số tốc đọ phản ứng; v là tốc độ phản ứng; a-x là nồng độ của chất A tại thời điểm t; x là độ giảm nồng độ trong thời gian t

Thời điểm t: a-x b-x

Phương trình động học dạng vi phân:

Phân ly biến số ta được:

= kdt

Trang 18

Thời gian nửa phản ứng:

Trong đó: a là nồng độ ban đầu của chất A tại t = 0; k là hằng số tốc độ phản ứng; v là tốc độ phản ứng

Trường hợp a=b≠c:

Dạng phản ứng: 2A + B  sản phẩm

Trang 19

Phương trình động học dạng tích phân:

Trong đó: a, c lần lượt là nồng độ ban đầu của A, B tại t = 0; a-2x, c-x lần lượt

là nồng độ của A, B tại thời điểm t; k là hằng số tốc độ phản ứng; v là tốc độ phản ứng

Phản ứng bậc không là phản ứng mà tốc độ của nó không phụ thuộc vào nồng

độ của các chất tham gia phản ứng

v = - = k.C0 = k

Trang 20

Phương trình động học dạng tích phân:

C0 - C = kt hay nồng độ của phản ứng giảm tuyến tính theo thời gian

Trong đó: C0, C lần lượt là nồng độ tại thời điểm t và nồng độ ban đầu của chất tham gia phản ứng; k là hằng số tốc độ phản ứng

1.2.2.2 Động học của phản ứng phức tạp [4]

a Phản ứng thuận nghịch

Khái niệm: Là phản ứng xảy ra theo cả hai chiều ngược nhau trong cùng một điều kiện, phản ứng xảy ra theo chiều từ trái sang phải là phản ứng thuận, phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại là phản ứng nghịch, phản ứng thuận và phản ứng nghịch xảy ra đồng thời và độc lập với nhau

Trang 21

Phản ứng thuận nghịch bậc 1-1

Dạng phản ứng: A B

Tại t= 0: a b

Tại thời điểm t: a-x b+x

Trạng thái cân bằng: a-x∞ b+x∞

Theo nguyên lý diễn biến độc lập thì phản ứng thuận nghịch tuân theo riêng rẽ định luật tác dụng khối lượng:

Thay vào (1.2.4) ta có: = (kt + kn) (x - x)

Phân ly biến số và lấy tích phân ta được:

Để tính riêng rẽ hằng số tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghich ta giải hệ phương trình:

Với k, t, x được ghi bằng giá trị thực nghiệm

Trang 22

Trong đó: k là hằng số tốc độ phản ứng; v là tốc độ phản ứng; kt, kn lần lƣợt là tốc độ của phản ứng thuận và phản ứng nghịch; x, x là độ giảm nồng độ tại thời điểm t

và thời điểm cân bằng; a, b là nồng độ ban đầu của A, B; a-x, b+x là nồng độ tại thời điểm t của A, B; a- x∞, b+x∞ lần lƣợt là nồng độ của A, B lúc cân bằng

Phản ứng thuận nghịch bậc 2-2

Dạng phản ứng: A + B  C + D

Tại t= 0: a b c d

Tại thời điểm t: a-x b-x x x

Thời điểm cân bằng: a-x∞ b - x∞ x∞ x∞

Một đặc điểm quan trọng của phản ứng song song là tỉ lệ nồng độ của sản phẩm khác nhau sinh ra không thay đổi và không phụ thuộc vào thời gian

Phản ứng song song bậc 1

k 1

Trang 23

Dạng phản ứng: A B

C Tốc độ của phản ứng song song theo 2 hướng hình thành B và C được xác định bằng công thức:

v1 = = k1 (a – x)

v2 = = k2 (a – x) Theo nguyên lý diễn biến độc lập, tốc độ của phản ứng song song sẽ bằng tổng tốc độ của các phản ứng thành phần nên ta có phương trình động học dạng vi phân:

Phân ly biến số, lấy tích phân và biến đổi ta được phương trình động học dạng tích phân:

Trong đó: a là nồng độ đầu của A; a – x là nồng độ của A tại thời điểm t; x là độ giảm nồng độ của A; x1 chuyển thành B; x2 chuyển thành C và x = x1 + x2

Trang 24

Trong đó : (x-y) là nồng độ sản phản trung gian, y là nồng độ của sản phẩm cuối; k1, k2 là các hằng số tốc độ của giai đoạn 1 và 2

(1.2.7) Thời gian để sản phẩm trung gian đạt giá trị cực đại:

Nồng độ cực đại của sản phẩm trung gian:

1.2.3 Lý thuyết về tốc độ phản ứng [4, 6, 7]

1.2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng

Theo quy tắc kinh nghiệm của Van't Hoff thì khi tăng nhiệt độ của hệ phản ứng lên

10oC, hằng số tốc độ tăng và do đó tốc độ của phản ứng tăng từ 2 đến 4 lần Biểu thức toán học của quy tắc nhƣ sau:

Trang 25

được gọi là hệ số nhiệt độ của phản ứng

Trong trường hợp tổng quát:

n là số lần tăng 10oC Một cách định lượng Arrhenius cũng đã thiết lập được sự phụ thuộc của hằng số tốc độ phản ứng k vào nhiệt độ dưới dạng vi phân:

Trong đó: Ea là năng lượng hoạt hoá thực nghiệm của phản ứng

Phương trình Arrhenius còn được viết dưới dạng khác :

A được gọi là thừa số Arrhenius và có cùng thứ nguyên với hằng số tốc độ phản ứng Thừa số A còn biểu thị tần số va chạm giữa các phần tử của các chất tác dụng

1.2.3.2 Lý thuyết tốc độ phản ứng

a, Thuyết va chạm lưỡng phân tử

Lý thuyết đầu tiên về tốc độ phản ứng hóa học cho rằng: để cho 2 phân tử có thể phản ứng được với nhau thì trước hết phải có sự va chạm giữa 2 phân tử đó và tốc độ phản ứng sẽ phụ thuộc vào số va chạm này Số va chạm đôi giữa phân tử ở trạng thái khí trong 1cm3 , trong 1s đã được thuyết động học phân tử chất khí đưa ra công thức tính

- Với phản ứng giữa 2 phân tử cùng loại: 2A → C + D

Trang 26

Trong đó: nA là số phân tử chất khí A trong 1 cm3 ; dAA là bán kính va chạm; MA là khối lƣợng mol

- Với phản ứng giữa 2 phân tử khác loại: A + B → C + D

Trong đó: nA, nB là số phân tử chất A và chất B trong 1cm3 ;

dAB là bán kính va chạm;

MA , MB là khối lƣợng mol của A và B

Song không phải mọi va chạm đều dẫn tới phản ứng, mà chỉ những va chạm của các phân tử có mức năng lƣợng dƣ nào đó mới dẫn tới biến đổi hoá học Arrhenius gọi các phân tử có mức năng lƣợng dƣ đó là phân tử hoạt động, còn va chạm của các phân

tử hoạt động là va chạm hoạt động Khi đó tốc độ phản ứng tính theo công thức:

Với phản ứng xảy ra giữa 2 phân tử cùng loại:

Với phản ứng xảy ra giữa 2 phân tử khác loại:

Trong đó : E là năng lƣợng hoạt hoá thực của phản ứng

Từ đây biểu thức hằng số tốc độ phản ứng lƣỡng phân tử đƣợc tính theo công thức: Với phản ứng xảy ra giữa 2 phân tử cùng loại:

Với phản ứng xảy ra giữa 2 phân tử khác loại:

Trong đó: P là thừa số không gian hoặc thừa số xác suất; P ≤ 1;

NA - số Avogadro

Trang 27

b, Thuyết phức chất hoạt động (thuyết trạng thái chuyển tiếp)

Thuyết phức chất hoạt động coi phản ứng hoá học là kết quả của một sự biến đổi liên tục cấu trúc của hệ phản ứng theo sơ đồ:

Điều đó có nghĩa là hệ của phản ứng phải đi theo con đường, theo đó năng lượng của hệ biến đổi liên tục, con đường này đi qua một hàng rào thế năng có độ cao bằng năng lượng hoạt hoá

Khi phản ứng xảy ra trong điều kiện T,P = const thì:

Khi đó

Trang 28

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP K37A-HÓA 1.2.4 Phản ứng dây chuyền [4, 6, 9]

Khái niệm: Phản ứng dây chuyền là phản ứng phức tạp Thoạt đầu trong hệ có

sự hình thành các tiểu phân hoạt động (nguyên tử tự do hoặc gốc) Các tiểu phân này lôi kéo các phân tử chất tham gia phản ứng và lại làm phát sinh ra các tiểu phân hoạt động mới Các tiểu phân hoạt động mới lại lặp lại quá trình trên và làm cho phản ứng tiến triển xa hơn

Phân loại: phản ứng dây chuyền gồm 3 loại:

- Phản ứng dây chuyền không phân nhánh

- Phản ứng dây chuyền phân nhánh

- Phản ứng dây chuyền suy thoái

Gồm các giai đoạn:

- Giai đoạn khơi mào: hình thành gốc tự do nguyên thủy, là giai đoạn khó

khăn nhất của phản ứng dây chuyền

- Giai đoạn phát triển mạch: là giai đoạn kéo dài mạch dây chuyền, trong đó

nồng độ gốc tự do không thay đổi, hóa trị tự do bảo toàn

- Giai đoạn đứt mạch: là phản ứng hủy diệt hóa trị tự do

Động học của phản ứng dây chuyền:

 Phản ứng dây chuyền không phân nhánh

Giả thiết hợp chất khơi mào cho quá trình sinh mạch tồn tại trong suốt quá trình phản ứng và thường xuyên làm sinh ra no tiểu phân hoạt động trung bình trong toàn bộ thể tích của bình phản ứng trong 1 đơn vị thời gian

Gọi là thời gian sống trung bình của một tiểu phân hoạt động

 là xác suất phát triển mạch; ß là xác suất đứt mạch

Suy ra:  + ß = 1

Nếu ở thời điểm t có n tiểu phân hoạt động trong bình phản ứng thì tốc độ tăng

số tiểu phân hoạt động được xác định theo công thức:

Trang 29

 = dt

Lấy tích phân 2 vế ta có:

=

Biến đổi biểu thức ta đƣợc:

Đại lƣợng đƣợc gọi là đọ dài trung bình của mạch dây chuyền Độ dài

mạch dây chuyền l còn đƣợc tính theo công thức:

Tốc độ phản ứng dây chuyền bằng:

Trong đó : là thời gian trung bình hình thành l tiểu phân hoạt động

Khi t đủ lớn so với và khi (tốc độ sinh mạch bằng tốc độ cắt mạch), khi đó hệ đạt trạng thái ổn định Tốc độ phản ứng dây chuyền mạch thẳng trong chế độ

ổn định bằng:

 Phản ứng dây chuyền phân nhánh

Xét phản ứng dây chuyền phân nhánh: H2 + O2  H2O

Giai đoạn sinh mạch: H2 + O2  2

Giai đoạn phát triển mạch: + H2  H2O +

Trang 30

+ O2  + + H2  + Giai đoạn đứt mạch: +  H2O

+  H2

=> Phản ứng dây chuyền phân nhánh là phản ứng trong đó khi 1 tiểu phân hoạt động bị mất đi trong quá trình phát triển mạch thì nó sinh ra 2 hay nhiều tiểu phân hoạt động mới Một trong các tiểu phân này tiếp tục phát triển mạch còn những tiểu phân hoạt động kia thì phát triển những mạch mới của phản ứng dây chuyền

Đối với phản ứng này, mỗi tiểu phân hoạt động có thể làm xuất hiện 2 hay nhiều tiểu phân hoạt động mới do sự phân nhánh nên số tiểu phân hoạt động sẽ tăng nhanh hơn so với phản ứng dây chuyền không phân nhánh

Tốc độ tăng số tiểu phân hoạt động bằng:

 = dt (1.4.1)

Trong đó : là xác suất phân nhánh; các ký hiệu khác theo phần trên

Lấy tích phân 2 vế của (1.4.1) ta có:

=

Biến đổi biểu thức ta được số tiểu phân hoạt động thường xuyên có mặt trong hệ tại thời điểm t bằng :

Trang 31

Đại lƣợng có ý nghĩa là độ dài mạch trung bình của phản ứng dây

 Phản ứng dây chuyền phân nhánh suy thoái

Kiểu phân nhánh này đƣợc thực hiện nhờ sự phân hủy sản phẩm trung gian của phản ứng

Trang 32

1.3.1.1.Phương pháp thế

Xác định nồng độ chất tham gia phản ứng ở những thời điểm khác nhau rồi đem những giá trị thu được, thế lần lượt vào những phương trình động học đối với hằng số tốc độ phản ứng bậc 1, bậc 2, , bậc n Khi phương trình nào thế vào mà được giá trị của k là hằng số của bậc thì bậc của phản ứng chính là bậc của phương trình động học

Thời điểm t: a-x a-x

Giả sử phản ứng là phản ứng bậc 2, ta có:

= kt với a = 0,05M

Ta có: COH- = = 10-3.VHCl

Ta có bảng sau:

Trang 33

Lấy logarit 2 vế (1.2.7) ta được:

Hay

Tại 2 điểm trên đường biểu diễn (a - x) = f(t), ta có:

Trang 34

Từ phương trình động học dạng tích phân xây dựng đồ thị hàm số phụ thuộc của một đại lượng vào thời gian sẽ thu được các đường thẳng tương ứng Các số liệu thực nghiệm ứng với hàm số nào có sự phụ thuộc tuyến tính vào thời gian thì phản ứng sẽ nghiên cứu có bậc tương ứng

Trong đó: n là bậc của phản ứng; k là hằng số tốc độ phản ứng; a là nồng độ ban đầu tại t = 0; a-x là nồng độ tại thời điểm t

Ví dụ 2: Axit fomic sẽ khử trôpêôlin với sự có mặt của xúc tác Pt theo phương trình:

HSO3-C6H5-N=N-C6H5-(OH)2 + 4HCOOH → Sản phẩm

Dưới đây là kết quả đo được sự biến thiên nồng độ trôpêôlin theo thời gian:

C.103 (mol/l) 5 4,82 4,7 4,25 3,76 3,30 2,6 2 0,94 0,15 Hãy chứng tỏ phản ứng diễn ra bậc không?

Giải

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc nồng độ trôpêôlin (C.103) theo thời gian (t) như hình 3

Đồ thị thu được là một đường thẳng, chứng tỏ phản ứng khử trôpêôlin bằng HCOOH là phản ứng bậc không Phản ứng không diễn ra theo tỉ lệ hợp thức

Trang 35

Hình 3 Đồ thị phản ứng khử trôpêôlin bằng HCOOH

1.3.1.3 Phương pháp thời gian nửa phản ứng

Phương pháp này dựa trên sự đo thời gian nửa phản ứng cảu chất nghiên cứu ở các nồng độ đầu khác nhau Đối với phản ứng bậc 1 thời gian nửa phản ứng không phụ thuộc vào nồng độ đầu của chất phản ứng:

t1/2 = Còn đối với trường hợp n ≠ 1:

(1.5.1) Xây dựng đồ thị lgt1/2 phụ thuộc lga sẽ thu được đường thẳng dốc -(n-1) Tại 2 điểm tương ứng với 2 nồng độ ban đầu của chất nghiên cứu a1 và a2 trên đường biểu

Ngoài ra,khi xác định t ở 2 nồng độ ban đầu a1 và a2 thì phương trình t ở (3.1) sẽ trở thành:

Từ đây ta dễ dàng xác định bậc của phản ứng

Trong đó: n là bậc của phản ứng; k là hằng số tốc độ phản ứng; a1, a2 lần lượt là nồng độ ban đầu biến thiên; t1, t2 là thời gian nửa phản ứng lúc đầu và sau khi giảm

Ví dụ 3: Đối với phản ứng đơn giản A  B, khi nồng độ đầu của A biến thiên từ 0,51 mol/l đến 1,03 mol/l thì thời gian nửa phản ứng giảm từ 150 đến 75 giây ở 25o

C Xác định bậc của phản ứng và hằng số tốc độ ở 25oC

Giải

Trang 36

Ta có: a1 = 0,51 mol/l; a2 = 1,03 mol/l; t1 = 150s; t2 = 75s

Áp dụng biểu thức: lg = (n-1) lg => n = + 1

Thay các giá trị vào ta được:

n = +1

suy ra: n ≈ 2 hay phản ứng là phản ứng bậc 2

Đối với phản ứng bâc 2 ta có thời gian nửa phản ứng:

t1/2 = suy ra hằng số tốc độ phản ứng: k = = = 1,31,10-2 mol-1.l.giây-1

1.3.2 Xác định năng lượng hoạt hóa, sự phụ thuộc hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ, biến thiên entropi phản ứng

Có 2 phương pháp để xác định năng lượng hoạt hóa và sự phụ thuộc hằng số tốc

độ phản ứng vào nhiệt độ:

1.3.2.1 Phương pháp đồ thị

Logarit 2 vế phương trình Arrhenius:

Vẽ đồ thị sự phụ thuộc lnk vào 1/T Đường biểu thị có hệ số góc:

Trong đó: k là hằng số tốc độ phản ứng; Ea là năng lượng hoạt hóa,tan là hệ số góc

Trang 37

Sự phụ thuộc của hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ biểu thị qua thừa số trước hàm mũ ko:

Trang 38

Trang 39

Suy ra: E = R = 4,575

Thay số vào ta được:

E = 4,575 (3,497 – 3,007) = 20575 cal/mol lgko = lgk + = -3,497+ 20575/(4,575.298) = 11,595

Dựa vào dữ kiện của đề bài và yêu cầu bài toán, áp dụng các công thức phù hợp Thay số liệu và tính toán tìm ra kết quả theo yêu cầu của đề

Ví dụ 6: Đối với phản ứng: A  B

Các hằng số tốc độ k1 = 300 giây-1 ; k2 = 100 giây-1 Ở thời điểm t = 0 chỉ có chất A và không có chất B Hỏi trong bao lâu thì một nửa lượng ban đầu chất A biến thành chất B?

Giải

Từ phương trình phản ứng ta thấy đây là phản ứng thuận nghịch bậc 1-1

Thời điểm t = 0: a 0

Thời điểm t: a-x x

Thời điểm cân bằng: a-xe xe

Trang 40

1.3.3.2 Bài tập phản ứng song song

Phương pháp giải:

Dựa vào phương trình xác định loại phản ứng song song (bậc 1, bậc 2)

Từ giả thiết và yêu cầu của đề áp dụng biểu thúc thích hợp

Thay số liệu, tính toán và đưa ra đáp án

Ví dụ 7: Phản ứng song song tiến hành theo sơ đồ:

Xác định hằng số tốc độ k1, k2 biết rằng trong hỗn hợp các sản phẩm phản ứng

có 35% chất B, còn nồng độ chất A giảm đi 1 nửa sau 410 giây

Giải

Phản ứng là phản ứng song song bậc 1

Định dạng
Số trang	83
Dung lượng	1,11 MB