Chương TỐC ĐỘ VÀ CƠ CHẾ PHẢN ỨNG ĐỘNG HÓA HỌC Động hóa học nghiên cứu tốc độ, chế, yếu tố ảnh hưởng đến trình hóa học  Hệ số tỉ lượng phản ứng hóa học: Hệ số phản ứng hóa học mô tả tương tác (tối giản) phân tử phản ứng  Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học: Nồng độ tác chất, nhiệt độ, xúc tác, diện tích bề mặt (phản ứng dò thể)   Phản ứng hóa học chia làm phản ứng đơn giản phản ứng phức tạp – Phản ứng đơn giản: Chỉ xảy giai đoạn – Ví dụ: N2 (k) + 3H2 (k)  2NH3 (k) – Phản ứng phức tạp: Xảy qua nhiều giai đoạn (có thể nối tiếp song song, đồng thời) – Ví dụ: N 2O5  N 2O3  O N O  N O  4NO  2N O  4NO  O TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG • Tốc độ phản ứng (reaction rate) đònh nghóa thay đổi nồng độ tác chất hay sản phẩm xảy đơn vò thời gian • Tốc độ phản ứng tức thời Ví dụ cho phản ứng: mA -> sản phẩm Tốc độ tức thời = - (dCA/dt) = k[A]m (Instantaneous rate) Tốc độ phản ứng trung bình  Sự thay đổi nồng độ chất khoảng thời gian xác đònh change in number of moles of B Average rate  change in time  moles of B  t  Liên hệ tốc độ tức thời trung bình • TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG TỔNG QUÁT • Ví dụ cho phản ứng tổng quát: • aA + bB  cC + dD • Tốc độ phản ứng tổng quát là: • v = k.CaA.CbB • Trong k hệ số tốc độ phản ứng • Ta nói phản ứng bậc a theo chất A bậc b theo chất B • Bậc tổng quát phản ứng a+b+…(nếu nhiều tác chất)     Bậc phản ứng Bậc phản ứng thay đổi nồng độ tác chất không ảnh hưởng đến sản phẩm Phản ứng bậc tăng gấp đôi nồng độ dẫn đến tăng gấp đôi tốc độ phản ứng Phản ứng bậc n tăng gấp đôi nồng độ tốc độ phản ứng tăng 2n lần Chú ý bậc phản ứng phải xác đònh thực nghiệm, không đơn giản dựa chế phản ứng Tốc độ theo cấu tử aA + bB  pP + qQ Theo tác chất có dấu -, theo sản phẩm có dấu + Đơn vò tốc độ phản ứng, theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), mol.dm-3.s-1 Hệ số tốc độ phản ứng k  Hệ số tốc độ phản ứng chứa yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, ngoại trừ nồng độ, nên k số  Hệ số tốc độ phản ứng chủ yếu bò ảnh hưởng nhiệt độ (phương trình Arrhenius), bên cạnh bò ảnh hưởng lượng hoạt hóa, lực ion, xạ ánh sáng, bề mặt chất hấp phụ… Phản ứng bậc 3A  sản phẩm V = -dCA/dt = kC3A Sau lấy tích phân, ta có: 1 1  kt      C A C A0  BẢNG TÓM TẮT a = initial [reactant A], b = initial [reactant B], k = rate constant x = [product P] at time t, a-x = [reactant] remaining at time t Ảnh hưởng nhiệt độ Qui tắc van’t Hoff tăng nhiệt độ lên 100 tốc độ phản ứng tăng lên 24 lần”  “Khi kT 10    24 kT  Tổng quát: n   Qui kT 10 n  (2  4) n kT tắc khoảng nhiệt độ không lớn  Ví dụ: Với phản ứng phân hủy N2O5, cho: 5 k C  7.9  10 7 k 30 C  3.6  10 tính k100 C ? 0 Ta có    k00 C 103 10 k00 C  3.6 10 5   3.86 7 7.9 10 k1000 C k00 C  3.86 10  k1000 C  3.86  7.9 10 7 10 Qui tắc Arrhenius • Arrhenius thấy hầu hết phản ứng hóa học tuân theo phương trình sau: k   e E  RT • k hệ số tốc độ phản ứng, E* (J), lượng hoạt hóa, R số khí (8.314 J/(K.mol)) T nhiệt độ (K) • A số, đo xác suất va chạm có ích • Cả A E* cho theo phản ứng  Năng lượng hoạt hoá, E*, lượng cần thiết nhỏ để phản ứng bắt đầu xảy  Dựa phương trình Arrhenius, biết k1 nhiệt độ T1 tính k2 nhiệt độ T2 theo biến đổi sau: k1 e k2 E  1     R  T2 T1  Ảnh hưởng xúc tác  Khái niệm:  “Chất xúc tác chất làm tăng tốc độ phản ứng tham gia vào tương tác hóa học với phản ứng giai đoạn trung gian, sau phản ứng phục hồi lại giữ nguyên lượng thành phần tác chất hóa học.”  Tác dụng chủ yếu chất xúc tác làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng cách thay đổi chế phản ứng từ làm tăng tốc độ phản ứng • Có hai loại xúc tác: • Xúc tác đồng thể (Homogeneous Catalysis): • Xúc tác tác chất pha Xúc tác dò thể (Heterogeneous Catalysis): • Xúc tác tác chất khác pha Cơ chế tác dụng  Ví dụ: Phản ứng tổng quát A + B = AB  Khi chưa có xúc tác: A  b  A  B  AB, E1  Khi có xúc tác K: A  K  A  K  AK, E 2 AK  B  AK  B  AB  K, E 3     E , E  E nên phản ứng xảy nhanh Biểu diễn ảnh hưởng xúc tác CƠ CHẾ PHẢN ỨNG Phản ứng đơn giản  Là phản ứng xảy trực tiếp phân tử  Ví dụ: I2 (k) + H2 (k) = 2HI (k) Hay: 2NO (k) + Cl2 (k) = 2NOCl (k)  Những phản ứng đòi hỏi lượng cao (30100 kcal/mol) gặp thực tế Phản ứng ion  Năng lïng hoạt hóa nhỏ có tham gia ion  Thường phải phân ly thành ion trước (do hòa tan, phóng điện, đun nóng, xạ lượng cao…)  Ví dụ: HCl  NaOH  NaCl  H O H   Cl   Na   OH   NaCl  H O Phản ứng gốc (phản ứng dây chuyền)  Có tạo thành gốc tự trước, tiểu phân không bão hòa hóa trò Phản ứng gốc hay xảy theo chế dây chuyền Ví dụ: Phản ứng H2 (k) + Cl2 (k) = 2HCl (k)  Quá trình tạo gốc tự do:  h o h Cl  2Cl , hay H  H  Quá trình phát triển dây chuyền: Cl   H  HCl  H  H   Cl  HCl  Cl   H  , E   Quá trình kết thúc (ngắt dây chuyền): 2Cl   Cl , H   59Kcal   2H  H , H  104kl H   Cl   HCl Hoặc:  Tóm lại, phản ứng xảy theo chế thuận lợi lượng  ... Bậc phản ứng Bậc phản ứng thay đổi nồng độ tác chất không ảnh hưởng đến sản phẩm Phản ứng bậc tăng gấp đôi nồng độ dẫn đến tăng gấp đôi tốc độ phản ứng Phản ứng bậc n tăng gấp đôi nồng độ tốc độ. .. Đơn vò tốc độ phản ứng, theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), mol.dm-3.s-1 Hệ số tốc độ phản ứng k  Hệ số tốc độ phản ứng chứa yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng,... ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học: Nồng độ tác chất, nhiệt độ, xúc tác, diện tích bề mặt (phản ứng dò thể)   Phản ứng hóa học chia làm phản ứng đơn giản phản ứng phức tạp – Phản ứng đơn