Lý thuyết trọng tâm hóa học 10 kết nối bài 19: Tốc độ phản ứng

I. TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HÓA HỌC

1. Khái niệm tốc độ phản ứng hóa học

Trả lời câu 1:

• Thời gian pháo hoa nổ: 3s - 6s
• Thời gian than cháy: 3-5p
• Thời gian sắt gỉ: vài tuần - vài tháng
• Thời gian lên men: vài ngày

=> Nói chung các phản ứng hóa học khác nhau xảy ra nhanh, chậm rất khác nhau.

Trả lời câu 2:

Để đánh giá mức độ xảy ra nhanh chậm của các phản ứng hóa học người ta đưa ra khái niệm tốc độ phản ứng hóa học (gọi tắt là tốc độ phản ứng).

Khái niệm: Tốc độ phản ứng là đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi lượng chất của chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian.

• Tốc độ phản ứng được xác định bằng thực nghiệm.
• Ký hiệu: ʋ
• Thứ nguyên của tốc độ phản ứng: lượng chất/ (thể tích.thời gian). Ví dụ: mol/(L.s) hay M/s.

Trả lời câu 3:

Theo thời gian tăng dần, lượng chất sản phẩm tăng dần và lượng chất ban đầu giảm dần.

2. Tốc độ trung bình phản ứng

a. Thiết lập công thức

Cho phản ứng tổng quát:

          aA + bB→ mM + nN

=> Tốc độ phản ứng được tính dựa theo sự thay đổi nồng độ của một chất bất kì trong phản ứng theo quy ước sau:

$\overline{v}=-\frac{1}{a}.\frac{\Delta C_{A}}{\Delta t}=-\frac{1}{b}.\frac{\Delta C_{B}}{\Delta t}=-\frac{1}{m}.\frac{\Delta C_{M}}{\Delta t}=-\frac{1}{n}.\frac{\Delta C_{N}}{\Delta t}$

Trong đó:

• ∆C = C₂ – C₁: Biến thiên nồng độ
• ∆t = t₂ – t₁: Biến thiên thời gian.

Lưu ý: Ngoài tốc độ trung bình của phản ứng còn có tốc độ tức thời của phản ứng, là tốc độ phản ứng tại một thời điểm nào đó. Tuy nhiên, trong thực tiễn người ta không xác định được tốc độ tức thời của phản ứng mà chỉ xác định được tốc độ trung bình của phản ứng.

b. Cách tính tốc độ trung bình phản ứng

Phiếu học tập số 1

1. Vì các chất tham gia phản ứng có nồng độ giảm dần theo thời gian nên khi thế vào ∆C = C₂ – C₁ sẽ ra giá trị âm. Mà tốc độ phản ứng chỉ nhận giá trị dương nên phải thêm dấu trừ trong biểu thức khi tính tốc độ trung bình của phản ứng theo các chất tham gia phản ứng để ra được giá trị tốc độ phản ứng là một số dương.

2. a) Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 3 giờ đến 6 giờ là:

$V_{tb}=-\frac{C_{H_{2}O_{2}(6h)})-C_{H_{2}O_{2}(3h)})}{6-3}=-\frac{0,500-0,707}{3}=0,069(mol/(L.h))$

b) Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 6 giờ đến 9 giờ là:

$V_{tb}=-\frac{C_{H_{2}O_{2}(9h)})-C_{H_{2}O_{2}(6h)})}{9-6}=-\frac{0,354-0,500}{3}=0,049(mol/(L.h))$

c) Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 9 giờ đến 12 giờ là:

$V_{tb}=-\frac{C_{H_{2}O_{2}(12h)})-C_{H_{2}O_{2}(9h)})}{12-9}=-\frac{0,250-0,354}{3}=0,035(mol/(L.h))$

Nhận xét: Tốc độ phản ứng giảm dần theo thời gian.

3. Nồng độ biến thiên chất không đồng đều sau mỗi khoảng đơn vị thời gian

=> Ta không thể tính được nồng độ H₂O₂ từ 3 giờ đến 4 giờ 30 phút do không có số liệu

=> Không tính được tốc độ trung bình của phản ứng từ 3 giờ đến 4 giờ 30 phút.

II. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

1. Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng

Ảnh hưởng của nồng độ: S xuất hiện trong ống (3) nhanh hơn, nghĩa là tốc độ phản ứng ở ống (3) lớn hơn.

PTHH: Na₂S₂O₃ + H₂SO₄→ Na₂SO₄ + S↓ + H₂O + SO₂↑

Giải thích: Để các chất phản ứng được với nhau (vd: Na₂S₂O₃ và H₂SO₄) thì giữa các phân tử tham gia phản ứng phải va chạm “hiệu quả” với nhau, số va chạm “hiệu quả” càng lớn, tốc độ phản ứng càng lớn. Khi nồng độ các chất phản ứng tăng, số va chạm tăng, số va chạm “hiệu quả” tăng nên tốc độ phản ứng tăng.

Kết luận: Khi tăng nồng độ chất phản ứng, tốc độ phản ứng tăng.

2. Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ phản ứng

Khi áp suất tăng, nồng độ chất khí tăng theo.

Nồng độ chất khí tăng làm tốc độ phản ứng tăng, tương tự như ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng.

Kết luận: Đối với phản ứng có chất khí, khi tăng áp suất, nồng độ chất khí tăng theo, nên tốc độ phản ứng tăng.

Ví dụ: Xét phản ứng:

2HI_(g)→ H_2(g) +  I_2(g)

Ở áp suất của HI là 1 atm thì ʋ = 1,22.10$^{-8}$ M/s. Khi áp suất của HI là 2atm thì tốc độ phản ứng tăng 2² = 4 lần=> ʋ = 4. 1,22.10$^{-8}$ = 4,88. 10$^{-8}$ M/s.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng

Nhận xét: Ống nghiệm được đun nóng xuất hiện màu hồng nhaanh hơn ống ở nhiệt độ thưởng.

Giải thích: Khi nhiệt độ phản ứng tăng dẫn tới 2 hệ quả sau:

• Tốc độ chuyển động của các phân tử tăng, dẫn đến tần số va chạm giữa các phân tử chất phản ứng tăng.
• Tần số va chạm có hiệu quả giữa các phân tử chất phản ứng tăng nhanh. Đây là yếu tố chính làm cho tốc độ phản ứng tăng nhanh khi tăng nhiệt độ.

Kết luận: Khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng.

Nhiệt độ càng cao, tốc độ phản ứng càng lớn. Với đa số các phản ứng ứng khi nhiệt độ tăng 10^oC thì tốc độ phản ứng tăng từ 2 đến 4 lần. Giá trị γ = 2 - 4 này gọi là hệ số nhiệt độ Van’t Hoff.

Mối liên liên hệ của hệ số Van’t Hoff với tốc độ và nhiệt độ như sau:

$\frac{V_{2}}{V_{1}}=\gamma ^{\frac{T_{2}-T_{1}}{10}}$

Trong đó: ʋ₂, ʋ₁ là tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T₂ và T₁ tương ứng.

(Van’t Hoff – nhà hóa học người Đức – người đầu tiên được giải Nobel năm 1901 trong lĩnh vực hóa học).

Ví dụ: Với phản ứng có γ = 2, nếu nhiệt độ tăng từ 20^oC lên 50^oC thì:

$\frac{V_{2}}{V_{1}}=\gamma ^{\frac{50-20}{10}}$ = 2$^{3}$ = 8

=> Tốc độ phản ứng tăng 8 lần.

4. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt đến tốc độ phản ứng

Nhận xét: Thời gian để CaCO₃ phản ứng hết trong cốc (2) ít hơn trong cốc (1).

PTHH: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

Giải thích: Chất rắn với kích thước nhỏ (CaCO₃ bột) có tổng diện tích bề mặt tiếp xúc với chất phản ứng (HCl) lớn hơn so với chất rắn có kích thước hạt lớn hơn (CaCO₃ khối) cùng khối lượng nên tốc độ phản ứng lớn hơn.

Kết luận: Khi tăng diện tích bề mặt các chất phản ứng, tốc độ phản ứng tăng.

5. Ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng

Nhận xét

• Cốc (1): H₂O₂ phân hủy chậm trong dung dịch ở nhiệt độ thường (mắt thường không quan sát được bọt khí O₂ thoát ra)
• Cốc (2): có thêm một ít bột MnO₂ bọt khí O₂ thoát ra rất mạnh. Khi phản ứng kết thúc, MnO₂ vẫn còn nguyên. Vậy MnO₂ là chất xúc tác cho phản ứng phân hủy H₂O₂.

PTHH: 2H₂O₂ → 2H₂O + O₂­

Kết luận: Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng còn lại sau khi phản ứng kết thúc.

Ngược với chất xúc tác chất ức chế là chất làm giảm tốc độ phản ứng và sau phản ứng nó không bị thay đổi cả về lượng và chất.

Ví dụ: hexamethylenetetramine (C₆H₁₂N₄) là chất ức chế thân thiện với môi trường dùng để bảo vệ sắt, théptrước tác dụng ăn mòn của acid.

Ngoài các yếu tố trên (nồng độ, nhiệt độ, diện tích bề mặt, chất xúc tác, áp suất) thì môi trường xảy ra phản ứng, tốc độ khuấy trộn, tác dụng của các tia bức xạ,...cũng ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng.

III. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

Câu 1: Nồng độ oxygen nguyên chất làm cho phản ứng cháy nhanh hơn và cho nhiệt độ cao hơn khi đốt bằng oxygen trong không khí.

Câu 2: Nhiệt độ của tủ lạnh làm giảm cường độ của các biến đổi về hóa học, hóa sinh và sinh học để kéo dài thời hạn sử dụng của thực phẩm tươi sống hoặc đã qua chế biến. Trong quá trình làm lạnh, các biến đổi sinh học như sự trao đổi chất của tế bào, sự sinh trưởng của vi sinh vật sẽ giảm dần.

Câu 3: Khi muối dưa, cà nhờ quá trình lên men của vi khuẩn lactic tạo axit lactic làm môi trường có pH thấp và nồng độ muối cao kìm hãm sự hoạt động của các vi khuẩn gây hại.