(Trang 91)
Thuốc nổ trong pháo hoa bị cháy và phát ra những tia sáng rực rỡ chỉ trong thời gian ngắn. Đây là một ví dụ về phản ứng hoá học có tốc độ nhanh.
Các phản ứng hoá học xảy ra với tốc độ nhanh, chậm khác nhau. Chúng ta luôn mong muốn đẩy nhanh những phản ứng có lợi và làm chậm những phản ứng có hại. Hiểu biết về tốc độ phản ứng sẽ giúp chúng ta thực hiện được điều đó.
| • Tốc độ phản ứng • Ôn tập |
(Trang 92)
MỤC TIÊU:
– Trình bày được khái niệm tốc độ phản ứng hoá học và cách tính tốc độ trung bình của phản ứng.
– Viết được biểu thức tốc độ phản ứng theo hằng số tốc độ phản ứng và nồng độ (còn gọi là định luật tác dụng khối lượng, chỉ đúng cho phản ứng đơn giản nên không tuỳ ý áp dụng cho mọi phản ứng). Từ đó nêu được ý nghĩa hằng số tốc độ phản ứng.
– Thực hiện được một số thí nghiệm nghiên cứu và giải thích được các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng (nồng độ, nhiệt độ, áp suất, diện tích bề mặt, chất xúc tác).
– Nêu được ý nghĩa của hệ số nhiệt độ Van't Hoff.
– Vận dụng được kiến thức tốc độ phản ứng hoá học vào việc giải thích một số vấn đề trong cuộc sống và sản xuất.
| Làm thế nào có thể so sánh sự nhanh, chậm của các phản ứng hoá học để thúc đẩy hoặc kìm hãm nó theo mong muốn? |
I. TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HOÁ HỌC
1. Khái niệm tốc độ phản ứng hoá học
| Khi phản ứng hoá học xảy ra, lượng chất đầu giảm dần theo thời gian, trong khi lượng chất sản phẩm tăng dần theo thời gian (Hình 19.1). 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 được biểu diễn bằng số mol, nồng độ mol, khối lượng, hoặc thể tích. |
Hình 19.1. Sự thay đổi lượng chất theo thời gian Lượng chất Chất sản phẩm Chất đầu Thời gian phản ứng |
Các phản ứng khác nhau xảy ra với tốc độ khác nhau, có phản ứng xảy ra nhanh, có phản ứng xảy ra chậm (Hình 19.2).
|
a) |
b) |
c) |
Hình 19.2. Phản ứng xảy ra nhanh: a) Than cháy;
Phản ứng xảy ra chậm: b) Sắt bị gỉ, c) Tinh bột lên men rượu
(Trang 93)
| 1. Xét phản ứng: Nghiên cứu sự thay đổi nồng độ một chất trong phản ứng theo thời gian, thu được đồ thị sau:
Thời gian phản ứng (min) a) Đồ thị này mô tả sự thay đổi nồng độ theo thời gian của chất nào? b) Nêu đơn vị của tốc độ phản ứng trong trường hợp này. |
2. Tốc độ trung bình của phản ứng
Phản ứng phân huỷ 
Kết quả thí nghiệm đo nồng độ 
, tại các thời điểm khác nhau được trình bày trên Bảng 19.1.
Bảng 19.1. Kết quả thí nghiệm phản ứng phân huỷ 
| Thời gian phản ứng (h) | 0 | 3 | 6 | 9 | 12 |
| Nồng độ (mol/L) | 1,000 | 0,707 | 0,500 | 0,354 | 0,250 |
Biến thiên nồng độ trong khoảng thời gian từ 0 giờ đến 3 giờ là:
(Dấu "–" thể hiện rằng nồng độ giảm dần khi phản ứng xảy ra).
Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 0 giờ đến 3 giờ được tính như sau:
(Đặt dấu "–" trước biểu thức để tốc độ phản ứng có giá trị dương.)
(Trang 94)
| Thực hiện các yêu cầu sau: 1. Hãy tính tốc độ phản ứng theo nồng độ a) 3 giờ đến 6 giờ b) 6 giờ đến 9 giờ b) 9 giờ đến 12 giờ 2. Nhận xét về sự thay đổi tốc độ phản ứng theo thời gian. |
| Đa số các phản ứng hoá 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. | EM CÓ BIẾT Sự thay đổi lượng chất trong khoảng thời gian vô cùng ngắn được gọi là tốc độ tức thời của phản ứng. |
Ví dụ: Xét phản ứng
Tại thời điểm 
, nồng độ 
lần lượt là 
Tại thời điểm 
, nồng độ lần lượt là 
Vậy, trong khoảng thời gian 
, biến thiên nồng độ các chất là:
Khi phản ứng xảy ra, theo thời gian, nồng độ CO và 
giảm, nồng độ 
tăng, nên 
và 
âm, 
dương.
Từ phương trình hoá học, cho thấy tỉ lệ: cứ 2 mol CO phản ứng với 1 mol , sinh ra 2 mol . Vì vậy.
Tốc độ trung bình của phản ứng được tính theo biểu thức:
Đối với phản ứng tổng quát: aA + bB → cC + dD
Gọi 
lần lượt là biến thiên lượng chất các chất A, B, C, D trong khoảng thời gian 
. Tốc độ trung bình của phản ứng được tính theo biểu thức:
| 2. Cho phản ứng của các chất ở thể khí:
Hãy viết biểu thức tính tốc độ trung bình theo sự biến đổi nồng độ chất đầu và chất sản phẩm của phản ứng trên. |
(Trang 95)
II. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG
1. Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng
Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng:
Chuẩn bị: Các dung dịch: 
0,05M; 0,10M; 0,30M; 
0,50M; 3 bình tam giác; đồng hồ bấm giờ; tờ giấy trắng có kẻ chữ X.
Tiến hành:
– Cho vào mỗi bình tam giác 30 mL dung dịch với các nồng độ tương ứng là 0,05 M; 0,10 M và 0,30 M. Đặt các bình lên tờ giấy trắng có kẻ sẵn chữ X.
– Rót nhanh vào mỗi bình 30 mL dung dịch 0,5 M và bắt đầu bấm giờ.
Lưu ý: Phản ứng có sinh ra khí độc. Cần tiến hành cẩn thận và tránh ngửi trực tiếp trên miệng bình tam giác.
|
a) Trước khi phản ứng nhìn thấy vạch chữ X |
b) Thời điểm không nhìn thấy vạch chữ X |
Hình 19.3 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng
Quan sát vạch chữ X trên tờ giấy dưới đáy bình, ghi lại thời điểm không nhìn thấy vạch chữ X nữa và trả lời câu hỏi:
1. Phản ứng ở bình nào xảy ra nhanh nhất? Chậm nhất?
2. Nồng độ ảnh hưởng thế nào đến tốc độ phản ứng?
Sự thay đổi nồng độ các chất tham gia sẽ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, thông thường, khi nồng độ tăng, tốc độ phản ứng sẽ tăng. Mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng và nồng độ các chất tham gia được xác định bằng thực nghiệm.
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 đọan), số mũ là hệ số của chất tham gia trong phương trình hoá học.
Ví dụ: Xét phản ứng
Từ thực nghiệm, xác định được mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng (1) và nồng độ các chất tham gia phản ứng: 
(Trang 96)
| Trong đó: 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. Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng có thể giải thích như sau: trong quá trình phản ứng, các hạt (phân tử, nguyên tử hoặc ion) luôn chuyển động không ngừng và va chạm với nhau. Những va chạm có năng lượng đủ lớn phá vỡ liên kết cũ và hình thành liên kết mới dẫn tới phản ứng hoá học, được gọi là va chạm hiệu quả. 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. | EM CÓ BIẾT Trong các phản ứng phức tạp, các chất đầu trải qua nhiều giai đoạn trung gian mới tạo thành được sản phẩm cuối cùng. Khi đó, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của các chất tham gia phản ứng với số mũ nhìn chung khác với hệ số tỉ lượng của chất đó trong phương trình hoá học. Ví dụ: Phản ứng tổng hợp phosgene
Phương trình tốc độ phản ứng được xác định từ thực nghiệm có dạng như sau:
|
và 
là nồng độ mol của NO và 
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 
và 
, 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.
là một chất độc hoá học được sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ nhất.
| 3. Cho phản ứng: X + Y → XY. Biết tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ của các chất tham gia phản ứng với số mũ là hệ số tỉ lượng của chất đó trong phương trình hoá học. a) Hãy viết phương trình tốc độ của phản ứng này. b) Ở một nhiệt độ xác định, hằng số tốc độ của phản ứng này là Hãy tính tốc độ phản ứng: – Tại thời điểm đầu. – Tại thời điểm đã hết một nửa lượng X. |
. Nồng độ đầu của X và Y lần lượt là 0,02 M và 0,03 M.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 (Hình 19.4). Việc tăng áp suất hỗn hợp khí cũng tương tự như tăng nồng độ, sẽ làm tốc độ phản ứng tăng. Việc thay đổi áp suất không làm ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng không có chất khí tham gia. |
Hình 19.4. Mối liên hệ giữa tăng áp suất và tăng nồng độ Áp suất thường Áp suất cao |
(Trang 97)
| 4. Nêu mối liên hệ giữa nồng độ và áp suất của khí trong hỗn hợp. 5. Áp suất ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng nào sau đây?
|
3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng
| Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng:
Chuẩn bị: Mg dạng phoi bào, dung dịch phenolphthalein, nước cất, 2 ống nghiệm, đèn cồn, kẹp gỗ. Tiến hành: • Cho vào mỗi ống nghiệm khoảng 3 mL nước cất. • Nhỏ vào mỗi ống nghiệm 1 – 2 giọt phenolphthalein và cho vào mỗi ống 1 mẫu phoi bào Mg. • Đun nóng 1 ống nghiệm. Lưu ý: Làm sạch bề mặt Mg trước khi tiến hành thí nghiệm. Quan sát và trả lời câu hỏi: 1. Sự thay đổi màu sắc trong ống nghiệm nào nhanh hơn? 2. Nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào 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 
thì tốc độ phản ứng thường tăng từ 2 đến 4 lần.
| Gọi
Trong biểu thức trên, Ví dụ: xét phản ứng của acetone với iodine.
Phản ứng có hệ số nhiệt độ | EM CÓ BIẾT Quá trình chín của trái cây Khi các phản ứng hoá học chuyển hoá tinh bột thành đường xảy ra, trái cây sẽ chín. Khi thời tiết nóng lên, phản ứng xảy ra nhanh hơn nên trái cây chín nhanh hơn. |
là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T, 
là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T+10, khi đó:
được gọi là hệ số nhiệt độ Van't Hoff (Van-Hốp). Giá trị 
(Trang 98)
| 6. Hãy giải thích tại sao khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng. 7. Nêu ý nghĩa của hệ số nhiệt độ Van't Hoff. 8. Ở 20 °C, tốc độ một phản ứng là 0,05 mol/(L.min). Ở 30 °C, tốc độ phản ứng này là 0,15 mol/(L.min). a) Hãy tính hệ số nhiệt độ Van't Hoff của phản ứng trên. b) Dự đoán tốc độ phản ứng trên ở 40 °C (giả thiết hệ số nhiệt độ |
trong khoảng nhiệt độ này không đổi ).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:
Chuẩn bị: 2 bình tam giác, dung dịch HCI 0,5 M, đá vôi dạng viên, đá vôi đập nhỏ. Tiến hành: • 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 0,5 M vào mỗi bình. Quan sát hiện tượng và thực hiện yêu cầu sau: 1. Phản ứng trong bình nào có tốc độ thoát khí nhanh hơn? 2. Đá vôi dạng nào có tổng diện tích bề mặt lớn hơn? 3. Nêu ảnh hưởng của diện tích bề mặt tiếp xúc đến tốc độ phản ứng. |
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.
| EM CÓ BIẾT Nếu kích thước hạt càng nhỏ thì tổng diện tích bề mặt càng lớn, nên có thể tăng diện tích tiếp xúc bằng cách đập nhỏ hạt. Ngoài ra, có thể tăng diện tích bề mặt của một khối chất bằng cách tạo nhiều đường rãnh, lỗ xốp trong lòng khối chất đó (tương tự như miếng bọt biển). Khi đó diện tích bề mặt bao gồm diện tích bề mặt trong và diện tích bề mặt ngoài. |  |
(Trang 99)
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:
Chuẩn bị: 2 bình tam giác, dung dịch Tiến hành: • Rót vào 2 bình tam giác, mỗi bình 20 mL dung dịch • Thêm khoảng 0,1 g xúc tác Quan sát hiện tượng và thực hiện yêu cầu sau: 1. So sánh tốc độ thoát khí ở hai bình. 2. Chất xúc tác ảnh hưởng thế nào đến tốc độ phản ứng? |
10%, 
vào một bình và lắc đều.Ảnh hưởng của xúc tác đến tốc độ phản ứng được giải thích dựa vào năng lượng hoạt hoá. Đây 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 (Hình 19.5). Do đó số hạt có đủ năng lượng hoạt hoá sẽ nhiều hơn, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng lên.
Hình 19.5. Năng lượng hoạt hoá của phản ứng khi không có xúc tác là A
và khi có xúc tác với năng lượng hoạt hoá là B, C của các giai đoạn
Năng lượng
Không xúc tác
Có xúc tác
Tiến trình phản ứng
Sau phản ứng, khối lượng, bản chất hoá học của xúc tác không đổi, tuy nhiên, kích thước, hình dạng hạt, độ xốp,... có thể thay đổi.
| 9. Thực hiện hai phản ứng phân huỷ Đường phản ứng nào trên đồ thị (Hình 19.6) tương ứng với phản ứng có xúc tác, với phản ứng không có xúc tác? |
Hình 19.6. Tiến trình của phản ứng phân huỷ
Thời gian (phút) |
: một phản ứng có xúc tác 
, một phản ứng không xúc tác. Đo thể tích khí oxygen theo thời gian và biểu diễn trên đồ thị như hình bên:
(Trang 100)
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.
|
a) Đèn xì oxygen – acetylene |
b) Tủ lạnh bảo quản thức ăn |
c) Bình dưa muối |
Hình 19.7. Một số ứng dụng thay đổi tốc độ phản ứng
| 10. Yếu tố nào đã được áp dụng để làm thay đổi tốc độ của các phản ứng trong Hình 19.7? 11. Phản ứng tạo NO từ Hãy nêu một số cách để tăng tốc độ phản ứng này. |
là một giai đoạn trung gian trong quá trình sản xuất nitric acid: 
| EM ĐÃ HỌC • Tốc độ phản ứng đặc trưng cho sự nhanh chậm của một phản ứng hoá học. • Tốc độ trung bình của phản ứng được tính bằng sự thay đổi lượng chất trong một đơn vị thời gian. • Khi nồng độ chất tan trong dung dịch tăng, tốc độ phản ứng tăng. • Đối với phản ứng có sự tham gia của chất khí, khi áp suất tăng, tốc độ phản ứng tăng. • Khi nhiệt độ phản ứng tăng dẫn đến số va chạm hiệu quả giữa các chất phản ứng tăng, làm tốc độ phản ứng tăng. • Để tăng tốc độ phản ứng ta có thể tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của chất phản ứng bằng cách làm giảm kích thước hạt rắn hoặc tạo những hạt xốp. • Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng nhưng nó không bị biến đổi về lượng và chất sau phản ứng. |
| EM CÓ THỂ Giải thích được tại sao nhiều phản ứng hoá học trong công nghiệp cần tiến hành ở nhiệt độ cao và sử dụng chất xúc tác. |
