BÀI GIẢNG ĐỘNG HÓA HỌC

NỘI DUNG MÔN HỌC1 Một số khái niệm cơ bản về động hóa học 4 2 Động học phản ứng đồng thể một chiều đơn giản 5...  Các chất tham gia vào quá trình phản ứng hóa học được gọi là các chất p

Trang 1

GiỚI THIỆU MÔN HỌC

Giảng viên: ThS Nguyễn Minh Quang

Email: nguyenminhquang@iuh.edu.vn

Trang 2

HÌNH THỨC ĐÁNH GIÁ

Thường kỳ Giữa kỳ

Trang 3

NỘI DUNG MÔN HỌC

1 Một số khái niệm cơ bản về động hóa học 4

2 Động học phản ứng đồng thể một chiều đơn giản 5

Trang 4

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Khắc Chương, Mai Hữu Khiêm, Động hóa học

và xúc tác, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2008;

[2] Nguyễn Hữu Phú, Hóa lý&Hóa keo, NXB Khoa học

kỹ thuật, 2003;

[3] Mai Hữu Khiêm, Nguyễn Ngọc Hạnh, Trần mai

Phương, Hoàng Khoa Anh Tuấn, Bài tập Hóa lý, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2008;

Trang 6

Nội dung

1.1 Tốc độ của phản ứng hóa học 1.2 Cơ chế phản ứng

1.3 Phương pháp xác định tốc độ phản ứng 1.4 Định luật tác dụng khối lượng

1.5 Phân tử số của phản ứng 1.6 Bậc phản ứng

Trang 7

Định nghĩa

1.1 Tốc độ phản ứng (The Rates of Reactions)

Trang 8

Được xác định bởi biến thiên của lượngchất bất kỳ (chất tham gia hay sản phẩm)trong một đơn vị thể tích và sau một đơn

vị thời gian

Định nghĩa

Trang 9

dN V

1

W    i



Biểu thức

Trang 11

Phản ứng diễn ra trong điều kiện V = const, thì:

Trang 12

1 dt

dC 3

1 dt

Trang 13

Trong trường hợp tổng quát:

aA + bB = cC + dD

dt

dC d

a dt

dC c

a dt

dC b

a dt

dC

W   A    B    C    D

1.1 Tốc độ phản ứng (The Rates of

Reactions)

Trang 14

Phương trình động học (The kinetic equation)

Trang 17

2

O H



Phản ứng đó trải qua các giai đoạn sau:

1.2 Cơ chế phản ứng (Chemical Reaction Mechanisms)

Trang 18

 Tổng các giai đoạn mà ở đó diễn ra phản ứng hóa học được gọi là

cơ chế phản ứng hóa học, còn từng giai đoạn của phản ứng được gọi là giai đoạn sơ cấp của phản ứng.

 Các chất tham gia vào quá trình phản ứng hóa học được gọi là các chất phản ứng.

 Các chất được tạo ra trong quá trình chuyển hóa hóa học và

không bị tiếp tục biến đổi được gọi là các sản phẩm phản ứng.

 Các chất được tạo ra trong một số giai đọan được gọi là các chất trung gian.

1.2 Cơ chế phản ứng (Chemical Reaction Mechanisms)

Trang 20

Phương pháp

hóa học

Phương pháp hóa lý Phương pháp

1.3 Phương pháp xác định tốc độ phản ứng

( The Method of Chemical Reaction Rates )

Trang 21

Xác định nồng độ của tác chất phản ứng (sản phẩm) theo thời gian hoặc áp suất tổng của hệ khí.

Trang 23

Đối với phản ứng đơn giản , tốc độ phản ứng

ở mỗi thời điểm tỷ lệ thuận với tích số nồng

độ của các chất tham gia phản ứng (với số

bậc xác định).

1.4 Định luật tác dụng khối lượng (Law of mass action)

Nội dung

Trang 25

1 n B

n

A CkC

Trang 26

 Phân tử số là số phân tử tham gia vào một phản ứng sơ cấp.

 Người ta phân biệt phản ứng đơn phân tử, lưỡng phân tử và

tam phân tử.

 Phản ứng đơn phân tử là phản ứng trong đó quá trình cơ

bản của nó là sự biến hóa của 1 phân tử.

1.5 Phân tử số của phản ứng

(Stoichiometry)

Trang 29

Mô hình phản ứng:

aA + bB  sản phẩmTốc độ phản ứng theo định luật tác dụng khối lượng:

2

B

n A

Trang 30

 Bậc phản ứng của một chất: chính là số mũ của chất đó trong phương trình động học

 Bậc tổng của phản ứng : là tổng các bậc phản ứng của các chất trong phương trình động học

1.6 Bậc phản ứng (Reaction Order)

Định nghĩa

Trang 31

W   

kC dt

dC

W   

2 2

kC dt

dC

3 2

2 1 2

1 C kC C kC

kC dt

dC

W    2  

1.6 Bậc phản ứng (Reaction Order)

Trang 33

NỘI DUNG

2.1 Phản ứng một chiều bậc nhất 2.2 Phản ứng một chiều bậc hai 2.3 Phản ứng một chiều bậc ba 2.4 Phản ứng một chiều bậc n

Trang 36

2.1 Phản ứng một chiều bậc 1 (First-Order

Reactions)

Trang 37

Phương trình động học của phản ứng bậc 1:

ktC

Cln

Trang 39

0 A

Cln

Trang 40

Là thời gian mà nồng độ chất tham gia phản ứng giảm đi một

nửa.

Chu kỳ bán hủy – t 1/2

Reactions)

Trang 41

o A

A 

ktC

Cln

Trang 42

Hầu như các quá trình phân huỷ chất phóng xạ thành đơn nguyên tử, đơn phân tử và đơn hạt nhân là phản ứng

bậc nhất.

Reactions)

Ghi chú

Trang 43

Khảo sát hai mô hình cụ thể sau:

Dạng 1: 2A → Sản phẩm Dạng 2: A + B → Sản phẩm

2.2 Phản ứng một chiều bậc 2 (Second-Order

Reactions)

Trang 45

Ví dụ

H2 + I2  2HI2HI  H2 + I2

Reactions)

Trang 46

Theo định luật tác dụng khối lượng:

2 A

Trang 47

Phương trình động học của phản ứng bậc 2:

kt C

1 C

1

0 A A



C

1 C

1

0 A A

Trang 48

Biểu diễn đồ thị

kt C

1 C

1

0 A A

Reactions)

Trang 49

0 A

2 1

Trang 50

C

1 C

1

0 A A

k = 0,9814 l/mol.phút

Kết quả

Reactions)

Trang 51

Khảo sát mô hình dạng 2 sau:

Trang 52

Ta luôn luôn có:

CBo – CAo = CB – CA = q

A + B sản phẩmBan đầu

Trang 53

Theo định luật tác dụng khối lượng:

B A

A

C

kC dt

dC

W   

Reactions)

Trang 54

B A

A kC Cdt

dC

W   

kdt q)

(C C

dC

A A



kdt

dC C

q 1

Reactions)

Trang 55

kt C

C

.C

C ln C

C

1

A

0 B

B

0 A 0

A

0 B





B 0

A

0 B

lnkt

CC

C

kdt

dC C

q 1

Reactions)

Trang 56

A

0 B 0

A

0 B A

B

C

Clnkt

C

CC

C

Phương trình cho thấy: trường hợp này phụ thuộc tuyến tính vào thời gian, hệ số góc của đường thẳng là và cắt trục tung tại

A

B

C

C ln

C0B C0Ak 0

A

0 B C

C ln

Reactions)

Trang 57

CA = CAo – x

CB = CBo – x

A + B sản phẩmBan đầu

Trang 58

kt C

C

.C

C ln C

C

1

A

0 B

B

0 A 0

A

0 B





Chu kỳ bán hủy – t 1/2 :

kt (C

C

.(C

C ln C

C

1

o A

0 B

o B

0 A 0

A

0 B

Reactions)

Trang 59

Chu kỳ bán hủy – t 1/2 :

kt (C

C

.(C

C ln C

C

1

o A

0 B

o B

0 A 0

A

0 B

x = CAo/2

o A

o B 0

0

C

2C ln

C C





k

t1/2

Reactions)

Trang 60

3A → sản phẩm2A + B → sản phẩm

A + B + C → sản phẩm

Khảo sát 3 mô hình sau:

2.3 Phản ứng một chiều bậc 3 (Third-Order

Reactions)

Trang 61

Ví dụ

2NO + O2  2NO22NO + Cl2  2NOCl2NO + Br2  2NOBr

Reactions)

Trang 62

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

3 A

A

C C

kC dt

dC

Reactions)

Trang 63

Ta chỉ xét trường hợp đơn giản:

0 C

0 B

0

3 A

A

kC dt

Trang 64

2 0 A

2 A

1

2 0 A A

Trang 65

 0 2 A

1/2

C 2k

Trang 66

Trường hợp tổng quát bậc n, đơn giản các nồng độ đầu bằng nhau, PTĐH có dạng:

 n i

Trang 67

Phương trình động học tường minh: (n  1)

C

1 C

1

1 - n 0 i

1 - n i





2.4 Phản ứng một chiều bậc 3 (nth-Order

Reactions)

Trang 68

  C ( 1 ) k

1 -

2

t n-1

0 i n

1 - n 1/2

Trang 69

Phản ứng này có vận tốc phản ứng không phụ thuộcvào nồng độ chất tham gia phản ứng, mà phụ thuộc vào

k, tức là phụ thuộc vào một số yếu tố như: nhiệt độ, chấtxúc tác, bề mặt tiếp xúc hai pha, lượng ánh sáng…

k dt

Trang 71

NỘI DUNG

3.1 Các nguyên lý xây dựng phương trình

động học 3.2 Phản ứng thuận nghịch 3.3 Phản ứng song song

3.4 Phản ứng nối tiếp 3.5 Phản ứng quang hóa 3.6 Phản ứng dây chuyền

Trang 72

Phản ứng dây chuyền

Phản ứng

nối tiếp

Phản ứng thuận nghịch

Phản ứng phức tạp

Phản ứng

song song

Tổng quan (General)

Trang 73

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.

3.1 Nguyên lý xây dựng (The principle

formation of kinetic equations)

Nội dung

Trang 74

3.2 Phản ứng thuận nghịch (Reverse

Reactions)

Định nghĩa

Trang 75

Khảo sát mô hình phản ứng sau:

t = 0 CAo CBo

Phản ứng x x Thời điểm t C o–x C o

Phản ứng thuận nghịch bậc nhất

Reactions)

Trang 76

B

' A

A kC k C dt

dC

W    

Phương trình tốc độ được viết:

Thay CA và CB vào phương trình

Trang 77

C x k C x kC k C  k k x

k dt

B

' 0

A

0 B

' 0



t ) k k ( o

' o

o B

' o

()

CkkC

(

x)'kk

()CkkC

(

o B

' o

A

o B

' o

Trang 78

t = 0 CAo CBoPhản ứng x x Thời điểm t CA= CAo–x CB= CBo + xCân bằng: CAo – xCB CBo + xCB

Reactions)

Trang 79

Hằng số cân bằng K:

CB

o A

CB

o B

x C

' k

k K

Trang 80

t)kk

()

CkkC

(

x)'kk

()CkkC

(

o B

' o

A

o B

' o

CB

o B

x C

' k

k K

(x

Reactions)

Trang 81

Phản ứng thuận nghịch bậc hai

Reactions)

Trang 82

C B

' A

A kC k C C dt

dC

W    

Phương trình tốc độ được viết:

Thay CA; CB và CC vào phương trình

Trang 83

   2

o x k' xC

kdt

Trang 84

Phản ứng thuận nghịch bậc hai

Reactions)

Trang 85

 2 ' B CA

Trang 86

k x

C

k dt

Trang 87

Phản ứng song song là phản ứng khi từmột chất hay một số các chất ban đầuphản ứng theo hai hay nhiều hướngkhác nhau.

3.3 Phản ứng song song (Competing

Reactions)

Định nghĩa

Trang 89

Là phản ứng từ một chất ban đầu phảnứng theo hai hướng khác nhau, cácphản ứng này diễn ra đồng thời, độc lậpnhau và bậc 1.

Reactions)

Phản ứng song song bậc 1

Trang 90

RR’ + CO

R’CO + R RR’CO

k

k’

KCl + O2KClO3

Trang 91

Khảo sát mô hình phản ứng sau:

A

k

B

C k’

Reactions)

Trang 92

dC 

A

C k ' C dt

Trang 93

dC dt

Trang 94

Phương trình tốc độ tường minh:

t ) ' k k

( C

C ln

A

o

A  

t ) ' k k (

o A

Trang 95

B

C 

t ) ' k k (

o A

Trang 97

B

C 

t ) ' k k

( C

C ln

Trang 98

Nhận xét

Khi hằng số tốc độ k và k’ khác nhau rất nhiều thìphản ứng chính là phản ứng có tốc độ lớn nhất hoặcphản ứng tạo sản phẩm quan trọng nhất

Reactions)

Trang 101

2CH4 + C2H2

Reactions)

Trang 102

2

Phương trình tốc độ:

B A

D kC C dt

dC



B A

E k'C Cdt

Trang 103

Phương trình tốc độ tổng quá trình:

B A

E D

B

dt

dCdt

Trang 104

4

B

o A

A

o B o

B

o

C

Cln)CC

.(

t

1)

'kk

Trang 105

k

'kC

A

o B o

B

o

C

Cln)CC

.(

t

1)

'kk

Trang 106

Phản ứng song song bậc trộn lẫn

A + B

Reactions)

Trang 107

Phương trình tốc độ:

B A

B k ' C C dt

dC





B A

A

A k.C k'.C Cdt

Trang 108

Lấy (2) chia (1) ta được:

B B

C

1.'k

k1

Trang 109

o B

B B

o B

o A A

C

Cln

.'k

kC

CC

Trang 110

o B

o A B

B

C

Cln

.'k

kC

CC

C'

kdt

Trang 111

Xác định k và k’

Phản ứng song song bậc trộn lẫn

Reactions)

Trang 112

Phản ứng song song tiến hành theo sơ đồ sau:

Sự phụ thuộc nồng độ các chất A và B vào thời gian t được biểu thị bằng các phương trình sau:

CA = a.e−0,08t; CB = a 1 − 𝑒−0,06𝑡 ; Xác định phương trình biểu thị sự phụ thuộc nồng độ chất C vào thời gian?

Trang 113

Phản ứng nối tiếp là phản ứng tạo sản phẩm cuối không phải trực tiếp từ chất tham gia phản ứng đầu mà phải qua các giai đoạn tạo

ra một số sản phẩm trung gian không bền.

3.4 Phản ứng nối tiếp (Two Consecutive

Steps)

Định nghĩa

Trang 115

Từ sơ đồ phản ứng trên ta có thể viết:

(2’)C

k'dt

kC

)2(k’C

kCdt

dC

)1(kC

dtdC

B C

B A

B

A A

=+

-=+

=-

Steps)

Trang 116

Thay (*) vào (2) ta được:

(*) e

C C

k' dC

C k' e

kC dC

kt 0

A B

B

kt 0

A B

Trang 117

Giải phương trình (3) ta được nghiệm là:

k.

k k'

k'.

1

x k k' k

e

e C

C

e e

C C

t k' kt

0 A C

t k' kt

0 A B

CB 

Steps)

Trang 118

Khảo sát sự biến thiên nồng độ các chất đầu A, chất trung gian B và sản phẩm cuối C Ta tính được:

k' k

k'

k ln

k' 0

Trang 119

Phản ứng quang hóa là phản ứng xảy radưới tác dụng của tia bức xạ thuộc vùngnhìn thấ và vùng tử ngoại

3.5 Phản ứng quang hóa (Photochemical

Reactions)

Định nghĩa

Trang 120

Theo định luật đương lượng quang hóa học, nếu ánh sáng gây ra sự biến đổi hóa học thì mỗi lượng tử (photon) được hấp thụ gây ra sự biến đổi của một phân tử chất phản ứng.

Reactions)

Phương trình tốc độ

Trang 121

Trang 123

Reactions)

Hiệu suất lượng tử được định nghĩa như sau:

φ = Số phân tử chất phản ứng chuyển hóa

Số photon hệ hấp thụ

Trang 124

n – là số phân tử chất đã phản ứng tại thời điểm t ;

 - là hiệu suất lượng tử ; I – là năng lượng hệ hấp thụ

Trang 125

3.6 Phản ứng dây chuyền (Chain Reactions)

Mục đích Nội dung

Phương pháp nồng độ ổn định

Trang 126

Phản ứng dây chuyền là loại phản ứng phức tạp trong đó có sự hình thành các tiểu phân hoạt động (những gốc hay nguyên tử tự do) Những tiểu phân hoạt động này tham gia vào phản ứng

và lại tạo ra những tiểu phân hoạt động mới.

Những tiểu phân mới này lặp lại quá trình trên làm cho phản ứng phát triển xa hơn.

Định nghĩa

Trang 127

R*1 và R*2 là các tiểu phân hoạt động ;

A1, A2 là các chất đầu ;

Trang 129

Trang 131

NỘI DUNG

4.1 Các khái niệm cơ bản, phân loại các quá

trình xúc tác 4.2 Đặc tính chung của tác dụng xúc tác 4.3 Phản ứng xúc tác đồng thể

4.4 Xúc tác dị thể 4.5 Các thuyết phản ứng xúc tác dị thể 4.6 Các chất xúc tác rắn sử dụng trong công

nghiệp

Trang 132

4.1 Tổng quan (An Overview and

Classification of Catalyst Reaction)

132

Hiện tượng xúc tác

Chất xúc tác

Trang 133

 Chất xúc tác làm tăng vận tốc của phản ứngthường gọi là chất xúc tác dương hay gọi chungchất xúc tác

 Các chất làm giảm vận tốc của phản ứng gọi chấtxúc tác âm hay là chất ức chế

Chất xúc tác

Trang 134

Phân loại

XT dị thể XT đồng thể XT men

134

Trang 135

 Xúc tác đồng thể: chất xúc tác có cùng pha với các chất tham gia phản ứng như axit, bazơ, muối của các kim loại chuyển tiếp…

 Xúc tác dị thể: chất xúc tác khác pha với các chất tham gia phản ứng, chất xúc tác dị thể như kim loại chuyển tiếp, zeolite, oxít

 Xúc tác men: Tác nhân gây xúc tác là những vi sinh vật, người ta gọi nó là enzym.

Phân loại

Trang 136

 Không làm thay đổi nhiệt động;

 Chất xúc tác chỉ làm tăng vận tốc của phản ứng có  G < 0

 Làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng;

 Chất xúc tác không làm thay đổi cân bằng của phản ứng nhưng làm cho cân bằng đạt được nhanh hơn;

 Xúc tác có tính chọn lọc  chất xúc tác giúp phản ứng tạo sản phẩm mong muốn.

136

4.2 Đặc tính tác dụng xúc tác (General

Properties of Catalyst)

Trang 137

4.2 Đặc tính tác dụng xúc tác (General

Properties of Catalyst)

Năng lượng hoạt hóa

NLHH khi pư không có XT

NLHH khi pư

có XT

NL giải phóng của pư thuận

Quá trình phản ứng

Trang 138

 Xúc tác là Cu ở nhiệt độ từ 200 đến 250 0 C: sản phẩm là andehyd.

 Xúc tác là Al2O3 ở nhiệt độ từ 300 đến 360 0 C: sản phẩm là etylen.

 Xúc tác là ZnO + Cr2O3 ở nhiệt độ từ 400 đến 500 0 C: sản phẩm là butadien.

 Xúc tác là H2SO4 đặc ở nhiệt độ từ 140 0 C: sản phẩm là dietyl eter

Trang 141

4.3 Phản ứng xúc tác đồng thể

(Homogeneous Catalysis)

Trang 142

Phương trình động học phụ thuộc vào nồng độ hợpchất trung gian.

Thuyết hợp chất trung gian (Spitalki-1926)

 Chất xúc tác sẽ kết hợp với một số chất tham gia phản ứng tạo ra hợp chất trung gian

 Giai đoạn tạo ra hợp chất trung gian xảy ra rất nhanh và là một quá trình thuận nghịch

142

4.3 Phản ứng xúc tác đồng thể

Trang 143

Giải hấp

Phản ứng

Bề mặt

Khuếch tán

Chuyển chất

Hấp phụ

Quá trình xúc tác dị thể qua các giai đoạn

4.4 Phản ứng xúc tác dị thể

Trang 144

 Thuyết các trung tâm hoạt động của Taylor

 Thuyết đa vị của Baladin

 Thuyết tập đoàn hoạt động của Kobozev (1939)

Trang 145

Tầm quan trọng của xúc tác

 Sản xuất trong công nghiệp

 Bảo vệ môi trường

4.6 Các chất xúc tác rắn phổ biến trong CN

(Solid catalyst used in industry)

Trang 146

Đặc điểm phân loại

Trang 147

Phân loại theo hướng [2]

Trang 148

Xúc tác axit-bazơ

 Các axit mạnh có khả năng chuyển proton cho các chất

phản ứng như: AlX3, BF, aluminosilicat,  -Al2O3, silicate Mg, silicat zircon (Zr)

 Tác dụng theo các loại phản ứng: alkyl hóa, cracking, đóng

vòng, phan bố lại hydro, đồng phân hóa, polyme hóa

148

4.6 Các chất xúc tác rắn phổ biến trong CN

(Solid catalyst used in industry)

Định dạng
Số trang	200
Dung lượng	2,1 MB