Bài giảng môn học Hóa đại cương: Chương 8 - Huỳnh Kỳ Phương Hạ

Bài giảng Hóa đại cương - Chương 8: Tốc độ và cơ chế phản ứng cung cấp cho người học các kiến thức: Động hóa học, tốc độ phản ứng, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, dạng đồ thị biểu diễn,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chương 8

TỐC ĐỘ VÀ CƠ CHẾ

PHẢN ỨNG

ĐỘNG HÓA HỌC

• Động hóa học nghiên cứu tốc độ, cơ chế, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hóa học.

• Hệ số tỉ lượng của các phản ứng hóa học: Hệ số trong phản ứng hóa học mô tả tương tác (tối giản) của các phân tử trong phản ứng.

• Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học: Nồng độ tác chất, nhiệt độ, xúc tác, diện tích bề mặt (phản ứng dị thể).

• Phản ứng hóa học chia ra làm phản ứng đơn giản và phản ứng phức tạp.

– Phản ứng đơn giản: Chỉ xảy ra 1 giai đoạn

– Ví dụ:

N2 (k) + 3H2 (k)  2NH3 (k)– Phản ứng phức tạp: Xảy ra qua nhiều giai đoạn(có thể nối tiếp hoặc song song, hoặc đồng thời).– Ví dụ:

2 5

2 3

2

2 3

2 5

2

4 NO O

N O

N

O O

N O

N

• Tốc độ phản ứng (reaction rate) được định nghĩa là sựthay đổi nồng độ của tác chất hay sản phẩm xảy ratrong một đơn vị thời gian.

• Tốc độ phản ứng tức thời

Ví dụ cho phản ứng:

Tốc độ phản ứng trung bình

• Sự thay đổi nồng độ chất trong một khoảng thờigian xác định

t

B of moles

in time change

B of moles

of number

in

change rate

Average

• Liên hệ giữa tốc độ tức thời và trung bình

• TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG TỔNG QUÁT

• Ví dụ cho phản ứng tổng quát:

• Trong đó k là hệ số tốc độ phản ứng

• Ta nói phản ứng bậc a theo chất A và bậc b theo chấtB

• Bậc tổng quát của phản ứng là a+b+…(nếu nhiều hơn 2tác chất)

• Bậc phản ứng có thể bằng 0 Bậc phản ứng bằng 0nếu thay đổi nồng độ của tác chất vẫn không ảnhhưởng đến sản phẩm.

• Phản ứng bậc 1 nếu tăng gấp đôi nồng độ sẽ dẫnđến tăng gấp đôi tốc độ phản ứng

• Phản ứng bậc n nếu tăng gấp đôi nồng độ tốc độphản ứng sẽ tăng 2n lần

• Chú ý là bậc phản ứng phải xác định bằng thựcnghiệm, không đơn giản là dựa trên cơ chế phảnứng

Tốc độ theo từng cấu tử

aA + bB pP + qQ

Theo tác chất có dấu -, theo sản phẩm có dấu +

Đơn vị của tốc độ phản ứng, theo IUPAC(International Union of Pure and AppliedChemistry), là mol.dm-3.s-1

Hệ số tốc độ phản ứng k

• Hệ số tốc độ phản ứng chứa các yếu tố ảnh hưởngđến tốc độ phản ứng, ngoại trừ nồng độ, nên kkhông phải hằng số

• Hệ số tốc độ phản ứng chủ yếu bị ảnh hưởng bởi

nhiệt độ (phương trình Arrhenius), bên cạnh đó còn

bị ảnh hưởng bởi năng lượng hoạt hóa, lực ion, bứcxạ ánh sáng, bề mặt của chất hấp phụ…

• Đơn vị của hệ số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào bậc phản ứng:

– Với phản ứng bậc zero, đơn vị của k là mol.l-1.s-1.– Phản ứng bậc 1 là s-1

– Phản ứng bậc 2 là l.mol-1.s-1

– Phản ứng bậc n là mol1-n.ln-1.s-1

ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ

Phản ứng bậc nhất

A -> sản phẩm

Tốc độ phản ứng: v = - dCA/dt = kCA

Lấy tích phân từ 0 (ứng với 0 s và CAo)đến t (ứng với t s và CA) Ta có:

kt C

C

kt C

C

A A

A A

0

0

ln

ln ln

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

Dạng đồ thị biểu diễn

0

Cln

Ứng với dạng đồ thị lny = ax + b (bên trái) hay y = ax + b (bên phải).

• Bán chu kỳ phản ứng, t1/2 là thời gian phản ứng diễn rađến lúc tác chất còn một nửa so với ban đầu (CA1/2 =1/2CAo).

• Biểu thức tính t1/2:

• Bán chu kỳ của phản ứng bậc 1 chỉ phụ thuộc k

Bán chu kỳ phản ứng

()

k k

t ln 2 0 . 693

12

• Dạng 2A sản phẩm

v = -dCA/dt = kC2

A

Sau khi lấy tích phân, ta có

Bán chu kỳ phản ứng:

Phản ứng bậc 2

0

C

1 1

A A

kt C

0 2

1

1

A

kC t

Dạng A+B sản phẩm Tốc độ phản ứng

Sau khi lấy tích phân, ta có

B A

A B

B

C C

C C

kt

0

0

0 0

ln1

1 1

BẢNG TÓM TẮT

a = initial [reactant A], b = initial [reactant B], k = rate constant

x = [product P] at time t, a-x = [reactant] remaining at time t

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Qui tắc van’t Hoff

– “Khi tăng nhiệt độ lên 100 thì tốc độ phản ứng tăng lên 2 4 lần”

– Tổng quát:

– Qui tắc này đúng trong khoảng nhiệt độ không lớn

4 2

10

T

T

k k

n

T

n T n

k

k

) 4 2 (

10

• Ví dụ: Với phản ứng phân hủy N2O5, cho:

100

10

0

100 10

3 7

5

0

3 10 0

3

10 9

7 86

3

86 3

86

3 10

9 7

10 6

3

0

0 0 0

0

C

C C C

C

k

k k k k

• Arrhenius thấy rằng hầu hết các phản ứng hóa học tuântheo phương trình sau:

• k là hệ số tốc độ phản ứng, E* (J), là năng lượng hoạt hóa, R là hằng số khí (8.314 J/(K.mol)) và T là nhiệt độ

(K).

• A là hằng số, đo xác suất va chạm có ích.

Qui tắc Arrhenius

RT

E

e

• Năng lượng hoạt hoá, E*, là năng lượng cần thiết nhỏ nhất để phản ứng bắt đầu xảy ra.

• Dựa trên phương trình Arrhenius, nếu biết k1

ở một nhiệt độ T1 thì sẽ tính được k2 ở nhiệt độ T2 theo biến đổi sau:

1 2

1 1

2

1 R T T

E

e k

k

Ảnh hưởng của xúc tác

• Khái niệm:

– “Chất xúc tác là những chất làm tăng tốc độ phản ứng do tham gia vào tương tác hóa học với các phản ứng ở giai đoạn trung gian, nhưng sau phản ứng nó được phục hồi lại và giữ nguyên về lượng cũng như về thành phần và tác chất hóa học.”

• Tác dụng chủ yếu của chất xúc tác là làm giảmnăng lượng hoạt hóa của phản ứng bằng cách thayđổi cơ chế phản ứng từ đó làm tăng tốc độ phảnứng

• Có hai loại xúc tác:

• Xúc tác đồng thể (Homogeneous Catalysis):

• Xúc tác và tác chất cùng 1 pha

Xúc tác dị thể (Heterogeneous Catalysis):

• Xúc tác và tác chất khác pha

Cơ chế tác dụng.

• Ví dụ: Phản ứng tổng quát A + B = AB

– Khi chưa có xúc tác:

– Khi có xúc tác K:

• nên phản ứng xảy ra nhanh hơn.

1

E , AB B

A b

3

2

E , K AB

B AK

B AK

E , AK K

A K

A

1 3

2 , E E

E

Biểu diễn ảnh hưởng của xúc tác

CƠ CHẾ PHẢN ỨNG

Phản ứng đơn giản

– Là phản ứng xảy ra trực tiếp giữa các phân tử

• Ví dụ: I2 (k) + H2 (k) = 2HI (k)

Hay: 2NO (k) + Cl2 (k) = 2NOCl (k)

• Những phản ứng này đòi hỏi năng lượng khá cao (30 100 kcal/mol) vì thế ít gặp trong thực tế.

NaCl OH

Na Cl

H

O H

NaCl NaOH

HCl

2 2

Phản ứng gốc (phản ứng dây chuyền)

– Có sự tạo thành các gốc tự do trước, là các tiểuphân không bão hòa hóa trị Phản ứng gốc hayxảy ra theo cơ chế dây chuyền

• Ví dụ:

Phản ứng H2 (k) + Cl2 (k) = 2HCl (k)

• Quá trình tạo gốc tự do:

0 2

• Quá trình phát triển dây chuyền:

• Quá trình kết thúc (ngắt dây chuyền):

• Hoặc:

• Tóm lại, phản ứng xảy ra theo cơ chế nào

là do sự thuận lợi về năng lượng.





H HCl

H

0 E

Cl

H 2

kl H

, H H

Kcal H

, Cl Cl

104 2

59 2