Bài giảng Hóa học đại cương - Chương 10: Tốc độ và cơ chế phản ứng hóa học

Bài giảng Hóa học đại cương - Chương 10: Tốc độ và cơ chế phản ứng hóa học cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm, tốc độ phản ứng hóa học, các yếu tố ảnh hưởng, phản ứng dây chuyển và quang hóa. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

PHẢN ỨNG DÂY CHUYỂN VÀ QUANG HÓA

Động hóa học: khảo sát phản ứng hóa học diễn ra

như thế nào và qua những giai đoạn trung gian nào

để đạt trạng thái cân bằng

Động hóa học nghiên cứu:

 Tốc độ,

 Cơ chế

 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hóa học:

(nhiệt độ, áp suất, xúc tác,… , bản chất của chất

phản ứng)

Hệ số tỉ lượng của các phản ứng hóa học: là

những con số chỉ số nguyên tử, phân tử, và ion của

các chất tham gia tương tác được ghi trong phản

ứng đã cân bằng (tối giản)

Ví dụ:

Hệ số tỷ lượng của N2, H2, NH3 trong phản ứng:

N2 + 3H2=2NH3 tương ứng là:1, 3, 2

Phản ứng đơn giản: là phản ứng chỉ xảy ra một

giai đoạn

Ví dụ: NO + O3 = NO2 + O2

Phản ứng phức tạp: là phản ứng xảy ra qua nhiều

giai đoạn (nối tiếp, hoặc song song, hoặc đồng thời)

Bậc phản ứng bằng tổng số mũ của nồng độ các chất

phản ứng ghi trong biểu thức định luật tác dụng

khối lượng Nếu tổng các số mũ đó là 1, 2, 3,… thì

phản ứng được gọi là phản ứng bậc một, bậc hai,

bậc ba,…

Tốc độ phản ứng là sự thay đổi nồng độ của tác chất

hay sản phẩm xảy ra trong một đơn vị thời gian

 Tốc độ trung bình

 Tốc độ tức thời

 Tốc độ phản ứng tức thời (Instantaneous rate)

Ví dụ: xét phản ứng

Tốc độ tức thời = - (dCA/dt) = k[A]m

 Tốc độ phản ứng trung bình: Sự thay đổi nồng độ

chất trong một khoảng thời gian xác định

V TB = Thay đổi số mol của chất

Thay đổi thời gian

Đơn vị của tốc độ phản ứng, theo IUPAC

(International Union of Pure and Applied Chemistry) là

mol.dm-3.s-1

Ví dụ: aA + bB = cC + dD

 Tốc độ của phản ứng:

 Trong đó :

 v: tốc độ tức thời của phản ứng ở thời điểm đang xét

 CA, CB: nồng độ tức thời của các chất A và B ở thời điểm

m

A C kC

v 

Bậc phản ứng có thể bằng 0 hoặc 0

Bậc phản ứng bằng 0 (Sự thay đổi nồng độ của tác chất

không làm thay đổi đến tốc độ phản ứng)

Phản ứng bậc 1: Khi tăng gấp đôi nồng độ tác chất sẽ dẫn

đến tăng gấp đôi tốc độ phản ứng

Phản ứng bậc n nếu tăng gấp đôi nồng độ tốc độ phản ứng sẽ

tăng 2n lần

Chú ý:

Bậc phản ứng (m, n) có thể trùng hoặc không trùng với hệ số

tỷ lượng của phương trình phản ứng

Bậc phản ứng được xác định bằng thực nghiệm

Ví dụ 3: Xác định bậc, biểu thức tốc độ, hằng số tốc độ:

` 2NO (k) + O2 (k) = 2NO2 (k)

ở 443oC có tốc độ tỷ lệ với nồng độ HI như sau:

[NO] (mol/l) [O2] (mol/l) V (mol/l.s)

 Ý nghĩa vật lý của hằng số tốc độ k: là tốc độ riêng của

phản ứng khi nồng độ các chất tham gia phản ứng bằng

nhau và bằng 1mol/l

 k phụ thuộc vào bản chất các chất tham gia phản ứng, nhiệt

độ và chất xúc tác

 Đơn vị của k 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

 Biểu thức tính:

 Vậy: (Thuyết Arrhenius)

 Trong đó:

• Z: hệ số, tỷ lệ với tổng số va chạm của các tiểu phân

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

• E*: năng lượng hoạt hóa của phản ứng

• S*: entropi hoạt hóa của phản ứng

*



R

S RT

E

e Ze k

*

*





Năng lượng hoạt hóa E*:

 Không phải mọi va chạm của các tiểu phân phản ứng đều

có thể tạo thành sản phẩm

 Với một phản ứng nhất định, các va chạm chỉ có hiệu quả

khi năng lượng của các tiểu phân va chạm phải lớn hơn

năng lượng trung bình của hệ một giá trị dư tối thiểu nhất

định E* nào đó

RT

E A lnk

2 1

ln

k

k T

T

T T R

E        

Entropi hoạt hóa S*:

 Kết quả nghiên cứu cho thấy kích thước, hình dạng

và vị trí không gian khi va chạm của các tiểu phân

hoạt động cũng có ảnh hưởng quan trọng đến tốc độ

của phản ứng

 Xác suất định hướng có hiệu quả khi va chạm được

đặc trưng bởi đại lượng entropi hoạt hóa S*

2

1 ln

k

k T

T

T T R

E        

mol 103548.8J/

E 

 Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng

 Xét phản ứng: aA + bB  cC + dD

 Tốc độ phản ứng theo chiều thuận:

 Tốc độ phản ứng theo chiều thuận giảm liên tục theo thời

gian do CA, CB giảm ngược lại tốc độ phản ứng theo chiều

nghịch tăng

 Để thay đổi tốc độ của phản ứng: thay đổi nồng độ các chất

theo thời gian

n B

m A t

C

kt C

C

A A

A A

 Bán chu kỳ phản ứng, t 1/2 là thời gian phản ứng diễn ra

đến lúc tác chất còn một nửa so với ban đầu , CA1/2 =

A A

kt

0 2

1

AkC

t 

A B B

C C C

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

n T n k

k

)42(

Khi nhiệt độ tăng:

 Chuyển động nhiệt của các tiểu phân tăng tăng số va

chạm giữa các tiểu phân  làm cho tốc độ phản ứng tăng

lên

 Khi nhiệt độ tăng số tiểu phân trở thành hoạt động tăng

Đây là nguyên nhân chính giúp tốc độ phản ứng tăng khi

tăng nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Ví dụ: Phản ứng phân hủy N2O5 , cho và

Tính

5 C

0 100

3 7

5 3

0

3 10 0

10 9 7 86

3

86 3

86 3 10

9 7

10 6 3

0 0 0 0 0

k k k k k









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:

2

E

e k

k

Chất xúc tác:

 Làm tăng tốc độ phản ứng

 giữ nguyên về lượng cũng như về thành phần và tác chất

hóa học

 Làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng (bằng cách

thay đổi cơ chế phản ứng)

AK B

AK

E , AK K

A K A





2, E3  E1

E

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)  ít gặp trong thực tế

Phản ứng ion

 Năng luợng hoạt hóa nhỏ do có sự tham gia của các ion

 Thường phải phân ly thành ion trước (do hòa tan, phóng

điện, đun nóng, bức xạ năng lượng cao…)

 Ví dụ:

O H NaCl OH

Na Cl

H

O H NaCl NaOH

Phản ứng gốc (Phản ứng dây chuyền)

 Có sự tạo thành các gốc tự do trước, là các tiểu phân không

bão hòa hóa trị Phản ứng gốc hay xảy ra theo cơ chế dây

2

2

, 2

H H

Cl Cl

h

o h

 Quá trình phát triển dây chuyền:

 Quá trình kết thúc (ngắt dây chuyền):

, H H

Kcal H

, Cl Cl

104 2

59 2

H   