Đang tải... (xem toàn văn)
BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT Hóa lý 2
Khoa Công Nghệ Tổ Hóa dầu BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT Môn: HÓA LÝ 2 (1406172055) SỐ: 05 SỐ TIẾT: 03 Ngày thực hiện Lớp CDHD9LTQN 1. Tên bài giảng mới : LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH SƠ CẤP Mục tiêu : (Hiểu, làm được) - Hiểu được các khái niệm. - Nắm được sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng, năng lượng hoạt hóa, thuyết va chạm và phức chất hoạt động. - Giải được các bài tập trong giáo trình Phương tiện và đồ dùng dạy học : Giáo trình Hóa lý 2, bài giảng, tài liệu tham khảo Bảng, bút lông, micro và máy chiếu. 2. Nội dung và phương pháp giảng dạy : TT Nội dung giảng dạy T/g Phương pháp 5.1. \ 5.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng, quy tắc Van’t Hoff Mối quan hệ giữa hệ số nhiệt độ của vận tốc phản ứng và các hằng số vận tốc: ( ) n T 10.nT k k γ= + (với 42 ÷=γ ) Trong đó: γ: hệ số nhiệt độ của tốc độ phản ứng K T , k T+10 : hằng số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T và T + 10. Phương trình Arrhennius, năng lượng hoạt động hóa 2 a RT E dT klnd = Trong đó: k: hằng số vận tốc của phản ứng. 20’ 15’ 10’ Thuyết trình, diễn giải gợi mở mở đề, cho ví dụ minh họa. 1 Khoa Công Nghệ Tổ Hóa dầu 5.3 5.4 R: hằng số khí E a : năng lượng hoạt hóa Lấy tích phân phương trình từ nhiệt độ T 1 đến T 2 ta được: −−= 12 a T T T 1 T 1 R E k k ln 1 2 Năng lượng cần thiết để chuyển phân tử có năng lượng trung bình thành phân tử hoạt động được gọi là năng lượng hoạt hóa E a . Thuyết va chạm hoạt động Theo Arrhenius điều kiện để một phản ứng hóa học có thể xảy ra là các phân tử của các chất tham gia phản ứng phải va chạm tương tác lẫn nhau. Va chạm dẫn đến sự hình thành liên kết hóa học mới gọi là va chạm hoạt động hay va chạm hiệu quả còn các phân tử va chạm tương ứng gọi là các phân tử hoạt động. Biến đổi năng lượng của phản ứng thuận nghịch đơn giản Thuyết phức chất hoạt động Ví dụ sự hình thành phân tử HI: H 2 + I 2 = 2HI Quá trình được biểu diễn bằng sơ đồ: 20’ 90’ 25’ Thuyết trình, pháp vấn Hãy phân biệt hấp phụ vật lý và hóa học? Ứng dụng của từng phương trình hấp phụ đẳng nhiệt ? Cho ví dụ một vài loại chất hấp phụ và ứng dụng của nó trong thực tiễn? Độ xốp càng lớn thì khả năng hấp phụ của chất đó như thế nào ? 2 Khoa Công Nghệ Tổ Hóa dầu 3.5 3.6 3.7 Với: - E H-H : năng lượng liên kết của H 2 = 104 kcal/mol - E I-I : năng lượng liên kết của I 2 = 36 kcal/mol - E H-I : năng lượng liên kết của HI = 72 kcal/mol - t a E : năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận = 40 kcal/mol - n a E : năng lượng hoạt hóa của phản ứng nghịch = 44 kcal/mol Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nếu tiến hành bằng cách làm đứt các liên kết của H 2 và I 2 là: ∆H = ΣE lktc - ΣE lksp = (E H-H + E I-I ) - 2 E H-I = (104 + 36) - 2.72 = - 4 kcal Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nếu tiến hành bằng cách tạo thành phức chất hoạt động hay trạng thái chuyển tiếp là: 44440EEH n a t a −=−=−=∆ kcal Năng lượng hoạt hóa của phản ứng trong trường hợp này là: t a E = E H-H + E I-I = 104 + 36 = 140 kcal/mol 5.5. Bài tập 3. Tổng kết : 5’ TT Nội dung tổng kết Phương pháp 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng, Thuyết trình 3 Khoa Công Nghệ Tổ Hóa dầu 2. thuyết va chạm và thuyết phức chất hoạt động. Vận dụng năng lượng hoạt hóa, quy tắc Van’t Hoff và phương trình Arrhenius giải quyết bài tập. 4. Câu hỏi và bài tập về nhà : 40’ Các câu hỏi trắc nghiệm trong sách bài tập. Bài tập chương 5. 5. Rút kinh nghiệm: Ngày 30 tháng 8 năm 2011 Tổ trưởng Bộ môn Giáo viên soạn Võ Đức Anh Nguyễn Thị Phương Anh 4 Khoa Công Nghệ Tổ Hóa dầu CHI TIẾT NỘI DUNG BÀI GIẢNG SỐ 05 Chương 5: LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH SƠ CẤP 5.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng, quy tắc Van’t Hoff Khi nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc của phản ứng người ta cố định nhiệt độ của các chất tham gia phản ứng do đó sự phụ thuộc của vận tốc phản ứng vào nhiệt độ thực chất là sự phụ thuộc của hằng số vận tốc vào nhiệt độ. Do đó số lần tăng của vận tốc phản ứng khi nhiệt độ tăng được gọi là hệ số nhiệt độ của vận tốc phản ứng. Như vậy giữa hệ số nhiệt độ của vận tốc phản ứng và các hằng số vận tốc có mối liên hệ sau: ( ) n T 10.nT k k γ= + (với 42 ÷=γ ) Trong đó: γ: hệ số nhiệt độ của tốc độ phản ứng K T , k T+10 : hằng số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T và T + 10. Quy tắc kinh nghiệm Van’t Hoff là quy tắc gần đúng ít có giá trị khoa học. Thực nghiệm cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng diễn ra rất phức tạp. 5.2. Phương trình Arrhennius, năng lượng hoạt động hóa 2 a RT E dT klnd = Trong đó: k: hằng số vận tốc của phản ứng. R: hằng số khí E a : năng lượng hoạt hóa Phương trình Arrhenius có thể viết dưới dạng: RT E 0 a ekk − ×= Lấy tích phân phương trình 2 a RT E dT klnd = từ nhiệt độ T 1 đến T 2 ta được: −−= 12 a T T T 1 T 1 R E k k ln 1 2 Nếu biết các hằng số vận tốc 21 TT k,k ở hai nhiệt độ T 1 , T 2 thì ta có thể xác định được năng lượng hoạt hóa E a . Năng lượng cần thiết để chuyển phân tử có năng lượng trung bình thành phân tử hoạt động được gọi là năng lượng hoạt hóa E a . 5 Khoa Công Nghệ Tổ Hóa dầu 5.3. Thuyết va chạm hoạt động Theo Arrhenius điều kiện để một phản ứng hóa học có thể xảy ra là các phân tử của các chất tham gia phản ứng phải va chạm tương tác lẫn nhau. Không phải bao giờ các va chạm này cũng đều dẫn đến phản ứng hóa học. Muốn tạo thành phân tử mới trước hết cần phải làm yếu hoặc làm đứt các liên kết cũ, phân bố lại mật độ electron và xây dựng liên kết hóa học mới vì thế đòi hỏi phải tiêu tốn một năng lượng nhất định. Va chạm dẫn đến sự hình thành liên kết hóa học mới gọi là va chạm hoạt động hay va chạm hiệu quả còn các phân tử va chạm tương ứng gọi là các phân tử hoạt động. Biến đổi năng lượng của phản ứng thuận nghịch đơn giản Dễ dàng nhận thấy nếu liên kết giữa các nguyên tử hay nhóm nguyên tử càng bền thì năng lượng hoạt hóa càng lớn và ngược lại. Nếu năng lượng hoạt hóa càng nhỏ thì số phân tử hoạt động càng nhiều do đó vận tốc phản ứng càng lớn và ngược lại. Thuyết va chạm hoạt độn g đã giải thích được ảnh hưởng của nồng độ và nhiệt độ lên vận tốc phản ứng. Tuy nhiên thuyết va chạm chưa quan tâm đếm sự biến đổi cấu trúc của phân tử khi hấp thu năng lượng cũng như là tiến trình diễn ra phản ứng. 5.4. Thuyết phức chất hoạt động Để thấy rõ quan hệ giữa chất đầu, trạng thái chuyển tiếp và sản phẩm người ta dùng một sơ đồ gọi là đồ thị phản ứng. Ví dụ sự hình thành phân tử HI: H 2 + I 2 = 2HI Quá trình được biểu diễn bằng sơ đồ: 6 Khoa Công Nghệ Tổ Hóa dầu Với: - E H-H : năng lượng liên kết của H 2 = 104 kcal/mol - E I-I : năng lượng liên kết của I 2 = 36 kcal/mol - E H-I : năng lượng liên kết của HI = 72 kcal/mol - t a E : năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận = 40 kcal/mol - n a E : năng lượng hoạt hóa của phản ứng nghịch = 44 kcal/mol Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nếu tiến hành bằng cách làm đứt các liên kết của H 2 và I 2 là: ∆H = ΣE lktc - ΣE lksp = (E H-H + E I-I ) - 2 E H-I = (104 + 36) - 2.72 = - 4 kcal Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nếu tiến hành bằng cách tạo thành phức chất hoạt động hay trạng thái chuyển tiếp là: 44440EEH n a t a −=−=−=∆ kcal Năng lượng hoạt hóa của phản ứng trong trường hợp này là: t a E = E H-H + E I-I = 104 + 36 = 140 kcal/mol 5.5. Bài tập Ví dụ 1. Nếu phản ứng bậc 1 có năng lượng hoạt hóa là 25.000 cal/mol và trong phương trình Arhenius có hằng số k 0 là 5.10 13 giây -1 , ở nhiệt độ nào chu kỳ bán hủy của phản ứng là 1 phút và 30 ngày. Giải Khi chu kỳ bán hủy là 1 phút ta có hằng số tốc độ là: 01155,0 60 693,0 t 2ln k 2/1 === (giây -1 ) = − + a o E lnk lnk RT Nhiệt độ cần thiết là: = = = − − a 13 o E 25000 T 349K R(lnk lnk) 1,987.(ln5.10 ln0,01155) Khi chu kỳ bán hủy là 30 ngày (2592000 giây) thì hằng số tốc độ của phản ứng là: 6 2/1 1 10.267,0 2592000 693,0 t 2ln k − === (phút -1 ) = − + a o E lnk lnk RT Nhiệt độ cần thiết là: 7 Khoa Công Nghệ Tổ Hóa dầu − = = = − − a 13 6 o E 25000 T 269K R(lnk lnk) 1,987.(ln5.10 ln0,267.10 ) Ví dụ 2. Năng lượng hoạt hóa của phản ứng là bao nhiêu để tốc độ phản ứng tăng lên 3 lần khi tăng nhiệt độ lên 10 độ tại 300K và tại 1000K? Giải Tại 300K tốc độ tăng 3 lần thì hằng số tốc độ của phản ứng cũng tăng 3 lần ta có: − = − a2 1 2 1 E k 1 1 ln ( ) k R T T ⇒ − = − a E 1 1 ln3 ( ) 1,987 310 300 E a = 20,3 (kcal/mol) Tại 1000K: − = − a E 1 1 ln3 ( ) 1,987 1010 1000 ⇒ E a = 220 (kcal/ mol) Ví dụ 3. Xác định bằng thực nghiệm hằng số tốc độ phản ứng phân hủy N 2 O 5 có kết quả: Nhiệt độ ( 0 C) 0 25 35 45 55 65 k.10 -15 .s -1 0,0787 3,46 13,5 47,44 250 577,8 Xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Giải Khi T 1 = 273K và T 2 = 298K thì hằng số tốc độ k 1 = 0,0787.10 -15 s và k 2 = 3,46.10 -15 s: − − = − ⇒ = − 15 a a 2 15 1 2 1 E E k 1 1 3,46.10 1 1 ln ( ) ln ( ) k R T T 0,0787.10 1,987 298 273 ⇒ E a = 24,463 (kJ/mol) Khi T 1 = 308K và T 2 = 318K thì hằng số tốc độ : k 1 = 13,5.10 15 s và k 2 = 19,8.10 15 s: 15 a a2 15 1 2 1 E E k 1 1 47,44.10 1 1 ln ( ) ln ( ) k R T T 13,5.10 1,987 318 308 − − = − ⇒ = − ⇒ E a = 24,460 (kJ/mol) Khi T 1 = 328K và T 2 = 338K thì hằng số tốc độ : k 1 = 250.10 15 s và k 2 = 487.10 15 s: 15 a a 2 15 1 2 1 E E k 1 1 577,8.10 1 1 ln ( ) ln ( ) k R T T 250.10 1,987 338 328 − − = − ⇒ = − 8 Khoa Công Nghệ Tổ Hóa dầu ⇒ E a = 24,461 (kJ/mol) Vậy năng lượng hoạt hóa của phản ứng là: E a = 24,461 (kJ/mol) Ví dụ 4. Người ta đo tốc độ đầu hình thành C đối với phản ứng: A + B = C và thu được kết quả sau: Số TN o A C (M) o B C (M) W o .10 3 (M.phút -1 ) 1 0,1 0,1 2,0 2 0,2 0,2 8,0 3 0,1 0,2 8,0 a. Bậc phản ứng đối với A và B. b. Hằng số tốc độ phản ứng. c. Tính W o khi o A C = o B C =0,5M. Giải a. Phương trình động học của phản ứng có dạng: α β = A B W kC C Dựa vào giá trị tốc độ đầu ta xác định giá trị của α và β . W 01 = o o 3 A B k(C ) (C ) k0,1 0,1 2.10 α β α β = = W 02 = o o 3 A B k(C ) (C ) k0,2 0,2 8.10 α β α β = = W 03 = o o 3 A B k(C ) (C ) k0,1 0,2 8.10 α β α β = = Từ 3 phương trình trên ta tính được α = 0 và β = 2 b. Hằng số tốc độ của phản ứng là: k = 0,2 M -1 .phút -1 c. Khi o A C = o B C =0,5M. Ta có: o 2 o W 0,2.0,5 .0,5 0,05M / phut = = Ví dụ 5. Phản ứng trong pha khí giữa NH 3 và NO 2 trong giai đoạn đầu là phản ứng bậc 2. a. Tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng. b. Tính thừa số k 0 của phương trình Arrhenius. Biết ở nhiệt độ 600K và 716K, hằng số tốc độ phản ứng có giá trị tương ứng bằng 0,385 M -1 .s -1 và 16 M -1 .s -1 . Giải a. Sử dụng phương trình: − = − a 2 1 2 1 E k 1 1 ln ( ) k R T T 9 Khoa Công Nghệ Tổ Hóa dầu − ⇒ = − ⇒ Ε = a a E 16 1 1 ln ( ) 114778J / mol 0,385 8,314 716 600 b. Tính hằng số k 0 : = − + a o E lnk lnk RT ⇒ = − + o 114778 ln0,385 lnk 8,314.600 − − ⇒ = 7 1 1 o k 378,559.10 M .s Ví dụ 6. Nghiên cứu phản ứng 2I(k) + H 2 (k) = 2HI(k). Cho thấy hằng số tốc độ phản ứng ở 418K là 1,12.10 -5 M -2 .s -1 và ở 737K là 18,54.10 -5 M -2 .s -1 . Xác định năng lượng hoạt hóa và hằng số tốc độ phản ứng ở 633,2K. Giải Áp dụng phương trình: a2 1 2 1 E k 1 1 ln ( ) k R T T − = − Với T 1 = 418K, T 2 = 737K và k 1 = 1,12.10 -5 , k 2 = 18,54.10 -5 ta có: 5 a 5 E 18,54.10 1 1 ln ( ) 1,12.10 8,314 737 418 − − − = − ⇒ a E 22,522kJ / mol= Cũng áp dụng phương trình: a2 1 2 1 E k 1 1 ln ( ) k R T T − = − Với T 1 = 418K, T 2 = 633,2K và k 1 = 1,12.10 -5 , a E 22,522kJ / mol= ta có: 2 5 k 22522 1 1 ln ( ) 1,12.10 8,314 633,2 418 − − = − ⇒ 5 2 1 633,2K k 10,114.10 M s − − − = Ví dụ 7. Trong một phản ứng bậc nhất tiến hành ở 27 0 C, nồng độ chất đầu giảm đi một nữa sau 5000s. Ở 37 0 C nồng độ giảm đi một nữa sau 1000s. Xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Giải Tại 27 0 C ta có: − − = = = 4 1 1 1/ 2 ln2 0,693 k 1,386.10 s t 5000 Tại 37 0 C ta có: 10 [...]...Khoa Công Nghệ k2 = ln 2 0,693 = = 6,93.10 −4 s −1 t1/ 2 1000 Áp dụng phương trình: ln ⇒ Tổ Hóa dầu k 2 −Ea 1 1 = ( − ) k1 R T2 T1 E a = 124 ,4 (kJ/ mol) 11 . a2 1 2 1 E k 1 1 ln ( ) k R T T − = − Với T 1 = 418K, T 2 = 633,2K và k 1 = 1, 12. 10 -5 , a E 22 , 522 kJ / mol= ta có: 2 5 k 22 522 1 1 ln ( ) 1, 12. 10. Công Nghệ Tổ Hóa dầu BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT Môn: HÓA LÝ 2 (14061 720 55) SỐ: 05 SỐ TIẾT: 03 Ngày thực hiện Lớp CDHD9LTQN 1. Tên bài giảng mới : LÝ THUYẾT VỀ