Tốc độ phản ứng hóa học SVIP

I. KHÁI NIỆM TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG, TỐC ĐỘ TRUNG BÌNH CỦA PHẢN ỨNG

1. Khái niệm tốc độ phản ứng 

- Tốc độ phản ứng (\(v\)) là đạt lượng đặc trưng cho sự thay đổi nồng độ chất của chất đầu hoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian.

- Đơn vị: (đơn vị nồng độ).(đơn vị thời gian)^-1

2. Tốc độ trung bình của phản ứng

Tốc độ trung bình của phản ứng (\(\overline{v}\)) là tốc độ được xác định trong một khoảng thời gian nhất định.

Phản ứng tổng quát:

\(aA+bB\rarr cC+dD\)

Tốc độ phản ứng trung bình được tính theo công thức:

\(\overline{v}=-\frac{1}{a}.\frac{\mathrm{\Delta}C_{A}}{\mathrm{\Delta}t}=\ -\frac{1}{b}.\frac{\mathrm{\Delta}C_{B}}{\mathrm{\Delta}t}=\ \frac{1}{c}.\frac{\mathrm{\Delta}C_{C}}{\mathrm{\Delta}t}=\frac{1}{d}.\frac{\mathrm{\Delta}C_{D}}{\mathrm{\Delta}t}\)

Trong đó: \(\Delta C=C_2-C_1\), \(\Delta t=t_2-t_1\) lần lượt là biến thiên nồng độ và biến thiên thời gian tương ứng.

Ví dụ: Xét phản ứng:

\(2N_2O_5\left(g\right)\rarr4NO_2\left(g\right)+2O_2\left(g\right)\)

Nồng độ các chất trong bình phản ứng theo thời gian:

- Tính theo nồng độ chất đầu:

\(\overline{v}=-\frac12.\frac{\left(0,0169-0,02\right)}{100-0}=1,55.10^{-5}\) M.s^-1

- Tính theo nồng độ sản phẩm:

\(\overline{v}=\frac14.\frac{\left(0,0062-0\right)}{100-0}=1,55.10^{-5}\) M.s^-1

II. ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG

- 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 (phản ứng đơn giản thì số mũ bằng hệ số của chất phản ứng).

- Xét phản ứng tổng quát:

\(aA+bB\rarr cC+dD\)

+ Biểu thức tốc độ theo định luật tác dụng khối lượng: \(v=k.C_{A}^{a}.C_{B}^{b}\).

+ Hằng số tốc độ phản ứng (k) có giá trị đúng bằng tốc độ phản ứng khi nồng độ các chất tham gia phản ứng đều bằng 1 M. Hằng số tốc độ phản ứng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

⚡ THÍ NGHIỆM 1

Cho hai mẩu đá vôi giống nhau vào hai ống nghiệm (a) và (b) chứa cùng thể tích dung dịch HCl có nồng độ lần lượt là 0,1 M và 0,2 M.

Ví dụ: Xét phản ứng đơn giản giữa H₂ và I₂:

\(H_2\left(g\right)+I_2\left(g\right)\rarr2HI\left(g\right)\)

Biểu thức theo định luật tác dụng khối lượng: \(v=kC_{H_2}.C_{I_2}\)

II. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG, HỆ SỐ NHIỆT ĐỘ VAN'T HOFF

Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ, áp suất, chất xúc tác và diện tích bề mặt của chất tham gia phản ứng.

1. Ảnh hưởng của nồng độ 

Khi nồng độ các chất phản ứng tăng lên, số lượng phân tử trong một đơn vị thể tích cũng tăng. Điều này làm tăng số va chạm giữa các phân tử trong một đơn vị thời gian, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng lên.

2. Ảnh hưởng của áp suất 

Đối với các chất khí, khi áp suất tăng thì nồng độ khí cũng tăng, từ đó làm tăng tốc độ phản ứng.

- Trong thực tế sản xuất, tăng áp suất giúp tăng tốc độ phản ứng.

Ví dụ: Sản xuất methanol từ CO và H₂ ở áp suất cao để phản ứng diễn ra nhanh hơn.

3. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt 

⚡THÍ NGHIỆM 2

Thêm 5 mL dung dịch HCl 0,5 M vào hai ống nghiệm chứa cùng một lượng đá vôi dạng viên (1) và đá vôi dạng bột (2).

Tăng diện tích tiếp xúc giúp tăng số va chạm hiệu quả, làm phản ứng diễn ra nhanh hơn.

- Ảnh hưởng của diện tích bề mặt đến tốc độ phản ứng trong thực tế:

+ Nhai kỹ giúp tiêu hoá thức ăn nhanh hơn.

+ Nghiền mịn đá vôi giúp sản xuất xi măng nhanh hơn.

+ Đập nhỏ than giúp phản ứng cháy nhanh hơn.

4. Ảnh hưởng của nhiệt độ 

⚡THÍ NGHIỆM 3

Cho hai đinh sắt giống nhau vào hai ống nghiệm chứa H₂SO₄ 0,5 M. Một ống để nhiệt độ phòng, một ống đun nóng.

- Nhiệt độ càng cao, các hạt chuyển động càng mạnh, làm tăng xác suất va chạm hiệu quả, dẫn đến tăng tốc độ phản ứng.

- Thực nghiệm cho thấy tốc độ phản ứng thường tăng 2 - 4 lần khi nhiệt độ tăng thêm 10 ^oC. Giá trị \(\gamma=2:4\) được gọi là hệ số nhiệt độ Van’t Hoff:

- Biểu thức:

\(\frac{v_2}{v_1}=\gamma^{\left(\frac{T_2-T_1}{10}\right)}\)

Với v₂ và v₁ là tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T₂ và T₁ tương ứng.

- Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng trong đời sống:

+ Đun nóng giúp phản ứng diễn ra nhanh hơn trong thí nghiệm và sản xuất.

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

+ Bảo quản lạnh giúp làm chậm quá trình ôi thiu của thực phẩm.

5. Ảnh hưởng của chất xúc tác 

Chất xúc tác giúp phản ứng diễn ra nhanh hơn mà vẫn giữ nguyên, không biến thành chất khác.

⚡THÍ NGHIỆM 4

- Rót H₂O₂ 3% vào ống nghiệm.

- Thêm bột MnO₂ vào ống nghiệm.

- Ứng dụng của chất xúc tác trong sản xuất và đời sống:

+ Trong công nghiệp, sắt (Fe) được dùng làm xúc tác để tăng tốc độ tổng hợp ammonia từ N₂ và H₂. Nếu không có xúc tác thì phản ứng xảy ra rất chậm.

+ Trong cơ thể sống, enzyme là chất xúc tác sinh học giúp tăng tốc độ phản ứng.