Hóa học 10 Cánh Diều Bài 16: Tốc độ phản ứng hóa học

- Tốc độ trung bình của phản ứng có thể được tính theo | biến thiên nồng độ chất phản ứng hoặc chất sản phẩm:

* Tính theo N2O5 : Nồng độ ban đầu của N2O5 (C₁) là 0,0200 M, nồng độ sau 100 s (C₂) là 0,0169 M.

\(\Delta t\) = 100 s – 0s = 100 s. Vậy tốc độ trung bình của phản ứng trong 100 s đầu tiên là:

\(\overline v  =  - \frac{1}{2}\frac{{(0,0169 - 0,0200)}}{{100}} = 1,{55.10^{ - 5}}\) (Ms-1)

a) Nồng độ HCl thấp hơn                               b) Nồng độ HCl cao hơn

Hình 16.2. Minh hoạ mô hình đá vôi trong dung dịch HCl

- Chúng ta có thể giải thích kết quả thí nghiệm như sau: Để phản ứng xảy ra, cần phải có sự va chạm giữa HCl và CaCO₃. Ở ống nghiệm 2, nồng độ của HCl lớn gấp đôi ống nghiệm 1, do vậy số va chạm của HCl với CaCO₃ (trong cùng một đơn vị thời gian) sẽ lớn hơn, từ đó tốc độ phản ứng ở ống nghiệm 2 là lớn hơn.

- Mở rộng với nhiều phản ứng khác, từ thực nghiệm người ta thấy rằng: Khi nồng độ các chất tham gia phản ứng càng lớn thì tốc độ phản ứng càng lớn. Điều này có thể giải thích như sau: Để phản ứng xảy ra, các phân tử phản ứng phải va chạm với nhau, nồng độ càng lớn thì số lượng va chạm càng nhiều trong cùng một đơn vị thời gian, một đơn vị thể tích) nên tốc độ phản ứng càng lớn.

- Định luật tác dụng khối lượng áp dụng cho các phản ứng đơn giản, biểu thị sự phụ thuộc tốc độ phản ứng theo nồng độ các chất phản ứng.

Ví dụ 1: Với phản ứng đơn giản có dạng: aA + bB →  sản phẩm

- Tốc độ phản ứng được tính như sau: \(v = kC_A^aC_B^b\) (5)

- Trong đó: C_A, C_B là nồng độ mol L^-1 tương ứng của chất A và B, k là hằng số tốc độ phản ứng mà giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất các chất tham gia phản ứng.

- Định luật tác dụng khối lượng: Tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với tích nồng độ các chất tham gia phản ứng với số mũ thích hợp.

- Rõ ràng, hằng số tốc độ càng lớn thì tốc độ phản ứng càng lớn.

- Từ biểu thức (5), hằng số tốc độ phản ứng có giá trị đúng bằng tốc độ phản ứng khi nồng độ các chất phản ứng bằng nhau và bằng 1M. Đây chính là ý nghĩa của hằng số tốc độ phản ứng.

Ví dụ 2: Phản ứng của H₂ và I₂ là phản ứng đơn giản: H₂ (g) + I₂ (g) → 2HI (g)         (6)

- Theo định luật tác dụng khối lượng, tốc độ của phản ứng (6) được viết dưới dạng: \(v = k{C_{{H_2}}}{C_{{I_2}}}\)

- Ở một nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng (6) tỉ lệ với nồng độ của H₂ cũng như nồng độ của I₂.

- Tốc độ của một phản ứng phụ thuộc vào các yếu tố: nồng độ, áp suất, diện tích bề mặt, nhiệt độ, chất xúc tác.

a. Ảnh hưởng của nồng độ

- Nồng độ các chất phản ứng càng lớn, tốc độ phản ứng càng lớn.

- Ảnh hưởng của nồng độ đã được thấy rõ qua thí nghiệm phản ứng của đá vôi với dung dịch HCl có nồng độ khác nhau và được khái quát hoá qua biểu thức của định luật tác dụng khối lượng.

- Hình 16.3 sẽ giải thích vì sao tốc độ phản ứng (6) tăng lên khi tăng nồng độ của H₂ và I₂

a) Nồng độ thấp hơn                        b) Nồng độ cao hơn

Hình 16.3. Ảnh hưởng của nồng độ các chất phản ứng tới tốc độ phản ứng

- Rõ ràng, khi nồng độ của H₂ và I₂ tăng lên (Hinh 16.3b), trong một đơn vị thể tích, các phân tử này cũng sẽ nhiều hơn, dẫn đến số lượng va chạm giữa chúng (trong cùng một đơn vị thời gian) tăng lên. Vì vậy tốc độ phản ứng tăng lên khi nồng độ các chất tăng.

b. Ảnh hưởng của áp suất

- Áp suất của các chất phản ứng ở thể khi càng lớn, tốc độ phản ứng càng lớn.

- Đối với các chất khí, nồng độ của chất khí tỉ lệ với áp suất của nó. Do vậy, khi áp suất chất tham gia phản ứng ở thể khi tăng lên, sẽ làm nồng độ chất khi tăng lên, từ đó làm tăng tốc độ phản ứng.

- Một ví dụ điển hình là phản ứng tổng hợp methanol (CH₃OH) từ CO và H₂ được thực hiện ở áp suất rất cao, khoảng 50 – 100 bar (áp suất khí quyển khoảng 1,01 bar) để làm tăng tốc độ phản ứng.

CO(g) + 2H₂(g) → CH₃OH(g)             (7)

c. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt

- Diện tích bề mặt càng lớn, tốc độ phản ứng càng lớn.

Hình 16.4. Minh hoạ ảnh hưởng của diện tích bề mặt đá vôi (dạng viên (a) và dạng bột (b)) tới tốc độ phản ứng với HCl

- Chúng ta có thể thấy ảnh hưởng của diện tích bề mặt tới tốc độ phản ứng trong thực tế. Ví dụ: chúng ta cần nhai kĩ thức ăn để tăng tốc độ chuyển hoá thức ăn, do khi nhai kĩ, thức ăn được chia nhỏ hơn nên diện tích bề mặt tăng, cần nghiên mịn đá vôi khi trộn với đất sét để tăng tốc độ phản ứng tạo nguyên liệu làm xi măng,...

d. Ảnh hưởng của nhiệt độ

- Phản ứng hoá học xảy ra trong thí nghiệm trên: Fe (s)+H₂SO₄ (aq) → FeSO₄ (aq) + H₂ (g)

- Nhiệt độ càng cao, tốc độ phản ứng càng lớn. Với đa số các phản ứng, khi nhiệt độ tăng 10°C thì tốc độ phản ứng tăng từ 2 đến 4 lần. Giá trị \(\gamma \) = 2 - 4 này gọi là hệ số nhiệt độ Van't Hoff.

- Mối liên hệ của hệ số Vant Hoff với tốc độ và nhiệt độ như sau: \(\frac{{{v_2}}}{{{v_1}}} = {\gamma ^{(\frac{{{T_2} - {T_1}}}{{10}})}}\)

- Trong đó, v₂ và v₁ là tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T₂ và T₁ tương ứng.

- Những ví dụ sau đây thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng được thấy khá phổ biến trong nhiều hiện tượng, hoạt động quanh ta:

+ Trong phòng thí nghiệm, người ta dùng đèn cồn đun nóng các chất để phản ứng diễn ra nhanh hơn. Trong các nhà máy sản xuất hoá học, người ta phải đun, nung các chất để phản ứng diễn ra nhanh hơn, cũng như rút ngắn thời gian sản xuất.

+ Thức ăn chậm bị ôi, thiu hơn khi được bảo quản trong tủ lạnh.

+Thức ăn nhanh chín hơn khi được đun ở nhiệt độ cao hơn.

e. Ảnh hưởng của chất xúc tác

- Rất nhiều phản ứng hoá học diễn ra với tốc độ lớn hơn nhiều chỉ bằng cách thêm chất xúc tác vào hỗn hợp phản ứng.

- Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng, mà sau phản ứng nó không bị thay đổi cả về lượng và chất.

- Dung dịch H₂O₂, 3% ở điều kiện bình thường phân huỷ rất chậm theo phương trình: 2H₂O₂ (aq) → O₂ (g) + 2H₂O (l)

- Tuy nhiên, tốc độ phản ứng phân huỷ này sẽ nhanh hơn rất nhiều khi có mặt chất xúc tác MnO₂. Khi kết thúc thí nghiệm trên, màu đen của MnO₂ ban đầu vẫn giữ nguyên vì MnO₂ không bị biến đổi sau phản ứng phân huỷ H₂O₂.

- Chất xúc tác MnO₂ làm tăng tốc độ phân huỷ H₂O₂

- Chất xúc tác rất phổ biến, có vai trò quan trọng tới nhiều quá trình sản xuất hoá học cũng như cuộc sống quanh ta:

+ NH₃ có vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống, đây là nguyên liệu để sản xuất phân đạm, sản xuất HNO₃ ...

- Phản ứng tổng hợp NH₃ từ N₂ và H₂ cần sử dụng chất xúc tác có thành phần chính là Fe để làm tăng tốc độ phản ứng, phản ứng không có xúc tác diễn ra vô cùng chậm.

- Các enzyme trong cơ thể là những chất xúc tác sinh học thúc đẩy các phản ứng hoá học phức tạp trong cơ thể chúng ta. Ví dụ: Các enzyme protease, lipase và amylase trong cơ thể là các chất xúc tác đẩy nhanh các quá trình tiêu hoá chất đạm, chất béo và tinh bột.