Lớp 10 Hóa 10 - Kết nối tri thức

Tốc độ phản ứng

Bài học: Tốc độ phản ứng đã giới thiệu cho các em lí thuyết về tốc độ phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Bên cạnh là các ví dụ và bài tập có lời giải chi tiết, xây dựng dựa trên kiến thức trọng tâm chương trình hóa 10 Kết nối tri thức.

I. Tốc độ phản ứng hóa học

1. Khái niệm tốc độ phản ứng hóa học

  • Tốc độ phản ứng được xác định bằng sự thay đổi lượng chất đầu hoặc chất sản phẩm trong một đơn vị thời gian: giây (s), phút (min), giờ (h), ngày (d), … Lượng chất có thể biểu diễn bằng số mol, nồng độ mol, khối lượng hoặc thể tích.
  • Các phản ứng khác nhau xảy ra với tốc độ khác nhau, có phản ứng xảy ra nhanh, có phản ứng xảy ra chậm.

                               

                                                   a)                                             b)

   Hình 1: ứng xảy ra nhanh: a) than cháy

Phản ứng xảy ra chậm: b) sắt gỉ

2. Tốc độ trung bình của phản ứng

  • Đa số các phản ứng hóa học có tốc độ giảm dần theo thời gian. Để đặc trưng cho sự nhanh chậm của phản ứng trong một khoảng thời gian, ta dùng tốc độ phản ứng trung bình.
  • Đối với phản ứng tổng quát:

aA + bB → cC + dD

 Gọi \triangle{\mathrm C}_{\mathrm A}, \bigtriangleup{\mathrm C}_{\mathbf B}, \triangle{\mathrm C}_{\mathrm C}, \triangle{\mathrm C}_{\mathrm D} lần lượt là biến thiên lượng chất các chất A, B, C, D trong khoảng thời gian \triangle\mathrm t. Tốc độ trung bình của phản ứng được tính theo biểu thức:

 {\mathrm v}_{\mathrm{tb}}=-\frac1{\mathrm a}.\frac{\triangle{\mathrm C}_{\mathrm A}}{\triangle\mathrm t}=-\frac1{\mathrm b}.\frac{\triangle{\mathrm C}_{\mathrm B}}{\triangle\mathrm t}=\frac1{\mathrm c}.\frac{\bigtriangleup{\mathrm C}_{\mathrm C}}{\bigtriangleup\mathrm t}=\frac1{\mathrm d}.\frac{\bigtriangleup{\mathrm D}_{\mathrm D}}{\bigtriangleup\mathrm t}

Ví dụ: Phản ứng phân hủy H2O2:

{\mathrm H}_2{\mathrm O}_2\;\rightarrow\;{\mathrm H}_2\mathrm O\;+\;\frac12\;{\mathrm O}_2

Kết quả thí nghiệm đo nồng độ H2O2 tại các thời điểm khác nhau được trình bày dưới bảng sau:

Tốc độ phản ứng (h) 0 3 6 9 12
Nồng độ H2O2 (mol/L) 1,000 0,707 0,500 0,354 0,250

Tốc độ phản ứng theo nồng độ H2O2 trong khoảng thời gian từ 0 giờ đến 3 giờ là:

\mathrm{Vtb}=-\frac{{\mathrm C}_{{\mathrm H}_2{\mathrm O}_2\;(3\mathrm h)}\;-\;{\mathrm C}_{{{\mathrm H}_2{\mathrm O}_2}\;(0\mathrm h)}\;}{3\;-\;0}=-\frac{0,707-1,000}3\approx0,098\;(\mathrm{mol}/(\mathrm L.\mathrm h))

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

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

  • Khi nồng độ chất phản ứng tăng lên, số va chạm giữa các hạt tăng lên, làm số va chạm hiệu quả cũng tăng lên và dẫn đến tốc độ phản ứng tăng.
  • Ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với tích số nồng độ các chất phản ứng với số mũ thích hợp. Đối với phản ứng đơn giản (phản ứng chỉ xảy ra qua một giai đoạn), số mũ là hệ số của chất tham gia trong phương trình hóa học.

Ví dụ: Xét phản ứng

2NO + O2 → 2NO2      (1)

Từ thực nghiệm, xác định được mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng (1) và nồng độ các chất tham gia phản ứng: v = k.C2NO⋅CO2

Trong đó: CNO và CO2 là nồng độ mol của NO và O2 tại thời điểm đang xét; k được gọi là hằng số tốc độ phản ứng; v là tốc độ phản ứng tại thời điểm đang xét.

Xét tại thời điểm CNO = 1M và CO2 = 1M, khi đó v = k. Như vậy: hằng số tốc độ k là tốc độ phản ứng khi nồng độ của tất cả các chất đầu đều bằng đơn vị.

Lưu ý:  Đại lượng k đặc trưng cho mỗi phản ứng và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng. Giá trị của k được xác định từ thực nghiệm.

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

Trong hỗn hợp khí, nồng độ mỗi khí tỉ lệ thuận với áp suất của nó. Khi nén hỗn hợp khí (giảm thể tích) thì nồng độ mỗi khí tăng lên. Việc tăng áp suất hỗn hợp khí cũng tương tự như tăng nồng độ, sẽ làm tốc độ phản ứng tăng.

Hình 2: Mối liên hệ giữa tăng áp suất và tăng nồng độ

 Lưu ý: Việc thay đổi áp suất không làm ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng không có chất khí tham gia.

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

Khi tăng nhiệt độ, các hạt (phân tử, nguyên tử hoặc ion) sẽ chuyển động nhanh hơn, động năng cao hơn. Khi đó, số va chạm hiệu quả giữa các hạt tăng lên, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng.

  • Thực nghiệm cho thấy khi tăng nhiệt độ lên 10oC thì tốc độ phản ứng thường tăng từ 2 đến 4 lần.
  • Gọi vT là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T, vT + 10 là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T + 10, khi đó:

\frac{{\mathrm v}_{\mathrm T\;+\;10}}{{\mathrm v}_{\mathrm T}}=\mathrm\gamma

 Trong biểu thức trên, \mathrm\gamma được gọi là hệ số nhiệt độ Van’t Hoff (Van-Hốp). Giá trị \mathrm\gamma càng lớn thì ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng càng mạnh. 

Ví dụ: xét phản ứng của acetone và iodine:

CH3COCH3 + I2 → CH3COCH2I + HI

Phản ứng có hệ số nhiệt \mathrm\gamma trong khoảng từ 30oC đến 50oC là 2,5. Ở 35oC, phản ứng có tốc độ là 0,036 mol/(L.h), thì ở 45oC, phản ứng có tốc độ là

\frac{{\mathrm v}_{\mathrm T+10}}{{\mathrm v}_{\mathrm T}}=\mathrm\gamma\Rightarrow\frac{{\mathrm v}_{45^\circ\mathrm C}}{0,036}=2,5\Rightarrow{\mathrm v}_{45^\circ\mathrm C}=0,09\;(\mathrm{mol}/(\mathrm L.\mathrm h))

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

Nghiên cứu ảnh hưởng của diện tích bề mặt đến tốc độ phản ứng:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O

Thí nghiệm:

  • Cho cùng một lượng (khoảng 2 g) đá vôi dạng viên vào bình tam giác (1) và đá vôi đập nhỏ vào bình tam giác (2).
  • Rót 20 ml dung dịch HCl 0,5M vào mỗi bình.

Ta thấy phản ứng trong bình (2) có tốc độ thoát khí nhanh hơn, thời gian để đá vôi phản ứng hết trong cốc (1) ít hơn cốc (2).

Nhận xét: Khi tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, số va chạm giữa các chất đầu tăng lên, số va chạm hiệu quả cũng tăng theo, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng.

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

Nghiên cứu ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2 + H2O

Thí nghiệm: 

  • Rót vào 2 bình tam giác, mỗi bình 20 mL dung dịch H2O2 10%.
  • Thêm khoảng 0,1 g xúc tác MnO2 vào một bình và lắc đều.

Ta thấy bình cho thêm MnO2 thoát khí rất mạnh. Khi phản ứng kết thúc, MnO2 vẫn còn nguyên vẹn. Vậy MnO2 là chất xúc tác cho phản ứng.

Nhận xét: Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng nhưng nó không bị biến đổi về lượng và chất sau phản ứng.

Giải thích:

Ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng được giải thích dựa vào năng lượng hoạt hóa. Năng lượng hoạt hoá là năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho các hạt (nguyên tử, phân tử hoặc ion) để va chạm giữa chúng gây ra phản ứng hoá học.

 Khi có xúc tác, phản ứng sẽ xảy ra qua nhiều giai đoạn. Mỗi giai đoạn đều có năng lượng hoạt hoá thấp hơn so với phản ứng không xúc tác. Do đó số hạt có đủ năng lượng hoạt hoá sẽ nhiều hơn dẫn đến tốc độ phản ứng tăng lên.

 Sau phản ứng, khối lượng, bản chất hoá học của chất xúc tác không đổi, tuy nhiên, kích thước, hình dạng hạt, độ xốp,… có thể thay đổi.

III. Một số ứng dụng của việc thay đổi tốc độ phản ứng

Trong đời sống và trong sản xuất, con người áp dụng nhiều biện pháp kĩ thuật để thay đổi tốc độ phản ứng như thay đổi nồng độ, nhiệt độ, dùng chất xúc tác, …

Ví dụ: Trong hàn xì, đốt acetylene bằng oxygen nguyên chất cháy nhanh và cho nhiệt độ cao hơn khi đốt bằng oxygen trong không khí.

Hình 3: Một số ứng dụng thay đôủ tốc độ phản ứng

Câu trắc nghiệm mã số: 21720,21721,21722
  • 16 lượt xem
Sắp xếp theo
🖼️
Xóa Gửi bình luận

Hóa 10 KNTT