Tốc độ phản ứng SVIP

I. TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

1. Khái niệm tốc độ phản ứng hoá học

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

- Khi phản ứng hóa học diễn ra, lượng chất đầu giảm còn lượng sản phẩm tăng dần nên tốc độ phản ứng giảm dần theo thời gian.

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

Trong đó:

+ Lượng chất có thể được biểu diễn bằng số mol, nồng độ mol, khối lượng hoặc thể tích.

+Thời gian tính bằng giây (s), phút (min), giờ (h), ngày (d),…

- Các phản ứng hóa học diễn ra với tốc độ khác nhau tùy vào bản chất và điều kiện phản ứng.

Ví dụ:

Phản ứng đốt cháy than xảy ra nhanh.

Phản ứng gỉ sét xảy ra chậm.

2. Tốc độ trung bình của phản ứng

- Phản ứng tổng quát:

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

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

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

Trong đó, \(\mathrm{\Delta}A\), \(\mathrm{\Delta}B\), \(\mathrm{\Delta}C\), \(\mathrm{\Delta}D\) lần lượt là biến thiên lượng chất các chất A, B, C, D trong khoảng thời gian \(\mathrm{\Delta}t\).

Ví dụ: Tiến hành thí nghiệm phân hủy H₂O₂ thu được kết quả như sau:

\(H_2O_2\rarr H_2O+\frac12O_2\)

Biểu thức tính tốc độ trung bình của phản ứng trên:

\(v_{tb}=-\frac{\Delta C_{H_2O_2}}{\Delta t}=\frac{\Delta C_{H_2O}}{\Delta t}=\frac{\Delta C_{O_2}}{\Delta t}\)

Tốc độ trung bình trong 3 giờ đầu:

\(v_{tb}=-\frac{\Delta C_{H_2O_2}}{\Delta t}=-\frac{0,707-1,000}{3-0}=0,098\) \(mol.\left(L.h\right)^{-1}\).

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

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 đến tốc độ phản ứng

⚡THÍ NGHIỆM 1 (Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng)

Bước 1: Chuẩn bị ba ống nghiệm, mỗi ống chứa 2 mL dung dịch Na₂S₂O₃ với nồng độ lần lượt là 0,05 M; 0,10 M và 0,30 M.

Bước 2: Thêm vào mỗi bình 2 mL dung dịch H₂SO₄ 0,5 M.

Sau 1 phút:

- Khi nồng độ các chất tham gia phản ứng tăng thì tốc độ phản ứng cũng tăng.

- 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: \(v=k.C_{A}^{a}.C_{B}^{b}\).

Với 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.

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

- Tăng áp suất hỗn hợp khí bằng cách nén sẽ làm nồng độ khí tăng, thúc đẩy phản ứng xảy ra nhanh hơn. Điều này không đúng với phản ứng không có chất khí.

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

⚡THÍ NGHIỆM 2 (Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng)

Ống nghiệm 1: Cho mẩu Mg vào ống nghiệm có chứa khoảng 3 mL nước cất và vài giọt phenolphthalein.

Ống nghiệm 2: Cho mẩu Mg vào ống nghiệm có chứa khoảng 3 mL nước cất và vài giọt phenolphthalein. Đun nóng ống nghiệm.

- Nhiệt độ càng cao, các hạt chuyển động càng mạnh, làm tăng xác suất va chạm hiệu quả và do đó 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.

- Biểu thức tính hệ số nhiệt độ Van’t Hoff: \(\frac{v_{T + 10}}{v_{T}}\) = \(\gamma\)

Trong đó:

+ \(v_{T}\) là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T

+ \(v_{T + 10}\) là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T + 10

+ \(\gamma\) là hệ số nhiệt độ Van’t Hoff (\(\gamma\) càng lớn thì ảnh hưởng càng mạnh).

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

⚡THÍ NGHIỆM 3 (Nghiên cứu ảnh hưởng của diện tích bề mặt đến tốc độ phản ứng)

Thêm 5 mL dung dịch HCl 0,5 M vào hai ống nghiệm 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.

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

⚡THÍ NGHIỆM 4 (Nghiên cứu ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng)

Chuẩn bị 2 bình tam giác, mỗi bình chứa 20 mL dung dịch H₂O₂ 10%.

Thêm khoảng 0,1 gam xúc tác MnO₂ vào bình (2).

Năng lượng hoạt hoá là mức năng lượng tối thiểu cần có để hạt va chạm tạo ra phản ứng. Nhờ xúc tác, phản ứng được chia thành các giai đoạn trung gian có năng lượng hoạt hóa nhỏ, nên tốc độ phản ứng tăng.

Sau phản ứng xúc tác vẫn giữ nguyên khối lượng và bản chất hoá học nhưng có thể thay đổi về hình thái.

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

Việc kiểm soát tốc độ phản ứng giúp con người tối ưu hóa quy trình sản xuất, tiết kiệm chi phí và năng lượng.

Ví dụ: