ĐỘNG-HOÁ-HỌC - Lý Thuyết và Bài Tập Động Học Chất 2023

ĐỘNG HOÁ HỌC A. LÝ THUYẾT
I. Tốc độ phản ứng
1. Khái niệm về tốc độ phản ứng
- Tốc độ phản ứng là độ biến thiên nồng độ của một trong các chất phản ứng hoặc sản
phẩm trong một đơn vị thời gian.
- Theo quy ước: Nồng độ (mol.l-1), thời gian (s, m, h,…)
2. Tốc độ trung bình của phản ứng
3. Phương trình động học và hằng số tốc độ phản ứng
Phương trình động học của phản ứng là phương trình biểu diễn sự phụ thuộc của
tốc độ phản ứng vào nồng độ của các chất phản ứng. Xét phản ứng:
aA + bB → cC + dD
Đối với phản ứng đơn giản: v= kCAa.CBb
Đối với phản ứng bất kì: v= kCAx.CBy
Trong đó: CA, CB là nồng độ chất A và B tại thời điểm đang xét.
a, b là hệ số tương ứng của chất A, chất B trong phương trình phản ứng.
x, y là bậc riêng phần của chất A, chất B trong phương trình phản ứng.
k là hằng số tốc độ của phản ứng, k càng lớn tốc độ phản ứng càng lớn. Hằng số k phụ
thuộc vào bản chất của phản ứng, vào nhiệt độ, vào dung môi và chất xúc tác.
Ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng tỉ lệ với tích nồng độ có số mũ tương ứng.
Nếu CA=CB = 1 thì k=v. Vậy hằng số tốc độ phản ứng k là tốc độ của phản ứng khi
nồng độ của các chất tham gia phản ứng được lấy bằng nhau và bằng đơn vị (=1). Do đó,
hằng số tốc độ phản ứng k còn gọi là tốc độ riêng của phản ứng. 4. Bậc phản ứng
- Bậc phản ứng của một chất (bậc riêng phần) là số mũ nồng độ của chất đó trong
biểu thức định luật tác dụng khối lượng.
- Bậc phản ứng của phản ứng (bậc toàn phần) là tổng số mũ nồng độ của các chất
trong biểu thức định luật tác dụng khối lượng.
Đối với phản ứng: v= kCAx.CBy
x, y là bậc riêng phần của chất A, chất B trong phương trình phản ứng.
Tổng n=x+y là bậc toàn phần của phản ứng.
5. Một số phản ứng đơn giản
Dựa vào bậc phản ứng, người ta phân loại phản ứng
❖ Phản ứng bậc 1:
❖ Phản ứng bậc 2 ❖ Phản ứng bậc 0
Phản ứng bậc 0 là những phản ứng mà tốc độ của nó không phụ thuộc vào nồng độ
của các chất tham gia phản ứng. Khi đó v=k.
❖ Phản ứng phức tạp
Khác với phản ứng đơn giản, phản ứng phức tạp diễn ra theo nhiều giai đoạn trung
gian, do đó phương trình hoá hoá ở dạng tổng quát chỉ là sự tổ hợp của nhiều phản ứng
trung gian vì vậy nó không biểu thị cơ chế phản ứng. Trong trường hợp này bậc và phân tử số không trùng nhau.
VD1: Sự nhiệt phân ethanal (CH3CHO) không tuân theo quy luật đơn giản về sự biến
thiên nồng độ chất theo thời gian: CH3CHO → CH4 + CO
Phương trình động học có dạng: v = k.C3/2CH CHO 3
VD2: Phản ứng iod hoá acetone là phản ứng bậc 1:
CH3COCH3 + I2 →CH3COCH2I + HI v = k.CCH3COCH3
Đây là phản ứng phức tạp diễn ra theo hai giai đoạn:
Giai đoạn 1: CH3COCH3 →CH3COH=CH2 (1)
Giai đoạn 2: CH3COH=CH2 + I2 →CH3COCH2I + HI (2)
Phản ứng (1) xảy ra chậm hơn nhiều so với phản ứng (2), do đó tốc độ phản ứng (1)
quyết định tốc độ của phản ứng giữa acetone và I2.
6. Sơ lược về cơ chế phản ứng
a. Các phản ứng một giai đoạn
- Phản ứng đơn phân tử: Loại phản ứng này xảy ra do sự tự phân huỷ chất hoặc tự
thay đổi trật tự liên kết các các nguyên tử trong phân tử. Sơ đồ chung: A → B + C +…
Đây là loại phản ứng bậc nhất có v =k.CA - Ví dụ:
- Phản ứng hai phân tử: Trong loại phản ứng này, chỉ có một giai đoạn, hai phân
tử ban đầu va chạm với nhau tạo ra sản phẩm. Đây thường là loại phản ứng bậc 2. Sơ đồ chung: A + B → C + …
Tốc độ phản ứng v=k.CACB A + A → B + …
Tốc độ phản ứng v=k.C 2 A - Ví dụ:
NO(g) + O3(g)→ NO2(g) + O2(g)
2HI(g) → H2(g) + I2(g)
- Phản ứng ba phân tử: Là phản ứng xảy ra do sự va chạm đồng thời của ba phân
tử. Số phản ứng loại này rất ít vì xác suất ba phân tử va chạm đồng thời rất nhỏ. Sơ đồ chung: 2A+ B → C +…
Đây là phản ứng bậc 3 nên tốc độ phản ứng: v =k.CA2CB
- Ví dụ: 2NO(g) + O2(g)→ 2NO2(g)
b. Các phản ứng nhiều giai đoạn
Trong các phản ứng một giai đoạn, bậc phản ứng đối với từng chất đúng bằng hệ
số tỉ lượng trong phương trình hoá học. Tuy nhiên, đối với rất nhiều phản ứng, bậc phản
ứng không phù hợp với hệ số tỉ lượng. Nguyên nhân là do phản ứng tổng cộng bao gồm
nhiều giai đoạn. Tốc độ phản ứng được quyết định bởi tốc độ của giai đoạn chậm nhất. Ví dụ: Xét phản ứng:
2N2O5(g) → 4NO2(g) + O2(g)
Về hình thức đây là phản ứng bậc 2, nhưng thực nghiệm cho biết đây là phản ứng một chiều bậc nhất. v =k.CN2O5
Điều này được giải thích như sau: Sự phân huỷ N2O5 đi theo ba giai đoạn: N2O5 → NO2 + NO3 (1) chậm
NO2 + NO3 → NO + NO2 + O2 (2) nhanh NO + NO3 → 2NO2 (2) nhanh
Mỗi giai đoạn trên còn gọi là quá trình cơ sở. Tập hợp các giai đoạn xảy ra tạo thành cơ
chế của phản ứng phân huỷ N2O5. Trong cơ chế đó giai đoạn chậm nhất quyết định tốc độ
quá trình. Giai đoạn (1) là chậm nhất nên tốc độ phản ứng v =k.CN O như thực nghiệm đã 2 5
xác định chứ không phải v =k.C2N O25
6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng. Năng lượng hoạt động hoá
a. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng. Phương trình Arrhenius
- Khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng. Vì khi nhiệt độ tăng, tốc độ chuyển động
của các phân tử tăng, dẫn đến tần số va chạm có hiệu quả giữa các phân tử chất phản ứng tăng lên.
- Quy tắc Van't Hoff: Ở khoảng nhiệt độ gần nhiệt độ phòng, khi tăng nhiệt độ
thêm 100C thì tốc độ phản ứng tăng lên γ lần, γ có giá trị từ 2 đến 4 lần.
- Ký hiệu γ được gọi là hệ số nhiệt độ của tốc độ phản ứng: T2 - T1 vT =vT .γ10 2 1
- Phương trình Arrhenius: k=A. -Ea eRT
- Lấy logarit cả hai vế phương trình ta được: lgk= lgA −Ea 2,303 RT Trong đó:
A là thừa số Arrhenius, được đặc trưng cho mỗi phản ứng.
R là hằng số khí, R= 8,314J.mol-1.K-1.
Ea là năng lượng hoạt hoá.
b. Năng lượng hoạt hoá
Năng lượng hoạt hóa là năng lượng tối thiểu của các phân tử và nguyên tử cần
phải có để có thể tham gia vào phản ứng hóa học. B. BÀI TẬP
1. Cho phản ứng: A + B → sản phẩm
Thực nghiệm cho biết ở 250C, người ta thu được kết quả như sau: Thí nghiệm
Nồng độ ban đầu (mol.l-1) Tốc độ (mol.phút-1.s-1) A B 1 0,25 0,25 1,25.10-2 2 1,0 1,0 20.10-2 3 0,25 0,5 2,5.10-2
a. Tính hằng số tốc độ k của phản ứng trên và viết biểu thức tốc độ phản ứng. Cho biết bậc của phản ứng?
b. Ở nhiệt độ 350C phản ứng trên có hằng số tốc độ k’= 40.10-2 (l.phút-1.mol-1). Hãy tính
năng lượng hoạt hoá của phản ứng?
2. Kết quả khảo sát động học của phản ứng: A + B →C + D như sau: Thí nghiệm CA (mol.l-1) CB (mol.l-1) Tốc độ (mol.phút-1.l-1) Thí nghiệm 1 0,5 0,5 5.10-2 Thí nghiệm 2 1,0 1,0 20.10-2 Thí nghiệm 3 0,5 1,0 20.10-2
a. Xác định bậc phản ứng và tính hằng số tốc độ của phản ứng.
b. Tính tốc độ của phản ứng khi CA= CB=0,2 mol.l-1.
c. Tính thời gian cần thiết để phân nửa lượng chất (lấy ở câu b) phản ứng.
3. Đối với phản ứng: 2NOCl → 2NO + Cl2 năng lượng hoạt hoá bằng 100 kJ.mol-1. Ở
350K, hằng số tốc độ bằng 8.10-6 l.mol-1. s-1. Tính hằng số tốc độ ở 400K.
4. Cho phản ứng (xảy ra ở 250C):
I-1 + ClO-1 →IO- + Cl-
Bậc phản ứng trên là bậc 2, hằng số tốc độ của phản ứng là 0,0606 mol.s-1.l-1. Lúc đầu
[I-1] = [ClO-1] = 3,50.10-3 M. Xác định [I-1] và [ClO-1] sau 300 giây. 5. Cho phản ứng:
(CH3)2O (g) → CH4 (g) + CO (g) + H2 (g)
Khi tiến hành phân huỷ dimethyl ether trong một bình kín ở 5040C và đo áp suất tổng của
hệ, người ta thu được các kết quả sau: Thời gian (giây) 0 1550 3100 4650 Phệ (mmHg) 400 800 1000 1100
Dựa vào các kết quả này, hãy:
a. Chứng minh rằng phản ứng phân huỷ dimethyl ether là phản ứng bậc 1.
b. Tính hằng số tốc độ phản ứng ở 5040C.
c. Tính áp suất tổng của hệ trong bình và phần trăm lượng (CH3)2O đã bị phân huỷ sau 460s.
6. Sự phân huỷ N2O5 (2N2O5 → 2N2O4 +O2) tuân theo quy luật động học của phản ứng
bậc 1 với hằng số tốc độ k=0,002 phút-1. Hỏi có bao nhiêu % N2O5 bị phân huỷ sau 2h?
7. Trong một phản ứng bậc nhất tiến hành ở 270C. Nồng độ chất đầu giảm đi một nửa sau
5000s. Ở 370C, nồng độ chất đầu giảm đi một nửa sau 1000s. Tính hằng số tốc độ phản ứng ở 270C, 370C.
8. Xác định bậc, biểu thức tốc độ và hằng số tốc độ của phản ứng:
2NO (g) + O2 (g) →2NO2 (g)
Dựa vào những dữ kiện thực nghiệm sau: CNO(mol.l-1) CO (mol.l-1) Tốc độ (mol.s-1.l-1) 2 1,0.10-4 1,0.10-4 5.10-6 1,0.10-4 3,0.10-4 20.10-6 2,0.10-4 3,0.10-4 20.10-5
9. Người ta nghiên cứu phản ứng xà phòng hoá ethyl format bằng NaOH ở 250C:
HCOOC2H5 +NaOH → HCOONa + C2H5OH
Nồng độ ban đầu của NaOH và của este đều bằng 0,01M. Lượng ethanol được tạo thành
theo thời gian được biểu diễn trong bảng: t(s) 0 180 240 300 360 [C2H5OH] (M) 0 2,6.10-3 3,17.10-3 3,66.10-3 4,11.10-3
a. Chứng minh rằng bậc của phản ứng bằng 2.
b. Tính hằng số tốc độ phản ứng ở 250C.
10. Lượng chất phóng xạ Polonium sau 14 ngày giảm đi 6,85% so với lượng ban đầu.
Biết phản ứng phóng xạ là bậc 1. Tính hằng số tốc độ phản ứng và chu kì bán huỷ của Polonium?
11. Nitrogen monoxide NO và nitrogen dioxide NO2 là những chất gây ô nhiễm không
khí thường gặp. NO có trong khí quyển thường được tạo thành khi có sấm chớp và trong
các động cơ đốt trong. Ở nhiệt độ cao, NO phản ứng với H2 tạo thành tạo thành N2O là một khí nhà kính.
2NO (g) + H2 (g) →N2O (g) + H2O (g) (1)
Để nghiên cứu động học của phản ứng trên ở 8200C, người ta đo tốc độ ban đầu của phản
ứng ở những áp suất ban đầu khác nhau của NO và H2. Áp suất đầu (torr) TN
Tốc độ đầu của sự tạo thành N2O (torr.s-1) PNO PH2 1 120,0 60,0 8,66.10-2 2 60,0 60,0 2,17.10-2 3 60,0 180,0 6,62.10-2
a. Hãy xác định biểu thức của định luật tốc độ và tính hằng số tốc độ k của phản ứng (1).
b. Tính thời gian cần thiết để áp suất riêng phần của H2 giảm đi một nửa, nếu áp suất ban
đầu của NO là 8,0.10-2 torr và của H2 là 1,0 torr ở 8200C.
c. Người ta đề nghị cơ chế sau đây cho phản ứng giữa NO và H2: 2NO(g) N2O2 (g)
N2O2 (g)+ H2 (g) k2N2O (g) + H2O (g) →
Sử dụng nguyên lý nồng độ ổn định, từ cơ chế trên hãy đưa ra biểu thức của định luật tốc
độ cho sự hình thành N2O.
12. Phương trình động học thực nghiệm của phản ứng:
2NO + H2 →2NOH là v=k[NO]2.[H2]
Chứng minh rằng phản ứng có thể theo một trong hai cơ chế sau: a. NO + H2 ⇌NOH2 NOH2 + NO →2NOH b. 2NO ⇌ N2O2 N2O2 + H2 →2NOH
13. Phosgene là một chất khí rất độc được sử dụng trong WW1, nó cũng là sản phẩm
công nghiệp quan trọng. Phosgene được tạo thành bằng cách cho khí CO tác dụng với khí
Cl2 khi có mặt ánh sáng mặt trời hoặc có than hoạt tính xúc tác theo phản ứng sau:
CO (g) + Cl2 (g)→ COCl2 (g)
Để xác định bậc riêng của CO, người ta tiến hành thí nghiệm sau: Xuất phát từ khí CO và
khí Cl2 với áp suất ban đầu là PCl =400mmHg, PCO=4mmHg. 2
Ở nhiệt độ và thể tích không đổi, đo áp suất riêng phần COCl2 (g) theo thời gian phản ứng
thu được kết quả như sau: t (phút) 0 34,5 69 138 PCOCl (mmHg) 0 2,0 3,0 3,75 2
a. Chứng minh rằng bậc riêng phần của CO bằng 1.
b. Bằng một thí nghiệm khác, người ta xác định được bậc riêng của Cl2 bằng 3/2. Chứng
minh rằng phương trình động học của phản ứng trên phù hợp với cơ chế phản ứng sau: Cl2 (g) ⇌ 2Cl (g) (1) nhanh
CO (g) + Cl (g)→ COCl (g) (2) nhanh
COCl (g) + Cl2 (g) → COCl2 (g) + Cl (g) (3) chậm