Tài liệu ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT "ĐỘNG HÓA HỌC" docx

ĐỘNG HÓA HỌC
ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT
Chương 1 Mở đầu
Chương 2 Động hố học phản ứng đơn giản
Chương 3 Động hóa học của phản ứng phức tạp
Chương 4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng
Chương 5 Thuyết va chạm hoạt động và phức hoạt động
Chương 6 Ảnh hưởng của áp suất lên tốc độ phản ứng
Chương 7 Ảnh hưởng của dung môi lên tốc độ phản ứng
Chương 8 Phản ứng dây chuyền và quang hóa
Chương 9 Ảnh hưởng của chất xúc tác lên tốc độ phản ứng
Chương
10

Ảnh hưởng của hiệu ứng thế lên tốc độ phản ứng

Chương
11

Phản ứng nhanh trong dung dịch và động hóa học của nó

Chương
12

Đại cương về cơ chế phản ứng và phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG I


MỞ ÐẦU
I.

GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG HOÁ HỌC
II. TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG
1.
Định nghĩa
2.
Biểu thức tính tốc độ phản ứng
III. ĐỊNH LỰC TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG
IV.
PHÂN LOẠI ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG
1.
Phân tử số phản ứng
2.
Bậc phản ứng
3.
So sánh phân tử số và bậc phản ứng
4.
Phản ứng bậc giả
5.
Một số nhận xét

Bài tập chương I

CHƯƠNG I

MỞ ÐẦU
I. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG HOÁ HỌC
Ðộng học hóa học là một bộ phận của hóa lý. Ðộng học hóa học có thể được gọi tắt là động hóa học.
Ðộng hóa học là khoa học nghiên cứu về tốc độ phản ứng hóa học. Tốc độ phản ứng hóa học bị ảnh
hưởng bởi nhiều yếu tố. Các yếu tố đó là nồng độ, nhiệt độ, áp suất, dung môi, chất xúc tác, hiệu ứng thế,

hiệu ứng đồng vị, hiệu ứng muối... Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đó lên tốc độ phản ứng, người ta mới
hiểu biết đầy đủ bản chất của các biến hóa xảy ra trong mỗi phản ứng hóa học, xác lập được cơ chế phản ứng.
Nhờ hiểu rõ cơ chế phản ứng, cho phép chúng ta lựa chọn các yếu tố thích hợp tác động lên phản ứng, tinh
chế độ làm việc tối ưu của lò phản ứng làm cho phản ứng có tốc độ lớn, hiệu suất cao, tạo ra sản phẩm theo
ý muốn.
Người ta phân biệt động hóa học hình thức và động hóa học lý thuyết. Ðộng hóa học hình thức chủ yếu
thiết lập các phương trình liên hệ giữa nồng độ chất phản ứng với hằng số tốc độ và thời gian phản ứng, cịn
động hóa học lý thuyết dựa trên cơ sở cơ học lượng tử, vật lý thống kê, thuyết động học chất khí tính được
giá trị tuyệt đối của hằng số tốc độ phản ứng. Ðó là thuyết va chạm hoạt động và phức hoạt động.
Ðộng hóa học hình thành từ nửa cuối thế kỷ XIX trên cơ sở nghiên cứu các phản ứng hữu cơ trong pha
lỏng. Những người đầu tiên trong lĩnh vực này là Wilamson, Wilhelmi (1812 - 1864) và các tác giả của định
luật tác dụng khối lượng, Guldberg (1836 - 1902) và Waage (1833 - 1900). Những cơ sở của động hóa học
được đúc kết trong các cơng trình của Van't Hoff và Arrhenuis trong những năm 1880, trong đó đã đưa ra


khái niệm về năng lượng hoạt động hóa và giải thích ý nghĩa của bậc phản ứng trên cơ sở của thuyết động
học.
Khái niệm về xúc tác được Berzlius đưa vịa khoa học 1835. Ostwald đã có nhiều đóng góp trong lĩnh
vực này, ông đã đưa ra định nghĩa chất xúc tác. Năm 1905 Silov đưa ra lý thuyết về phản ứng liên hợp. Phản
ứng quang hóa được nghiên cứu trong các cơng trình của B(denstein (1871 - 1942), Einstein (1879 - 1955),
Nernst. Phản ứng dây chuyền được Semenov (1896) và Hinshelwood (1879 - 1967) nghiên cứu từ khoảng
năm 1926, đưa đến hình thành lý thuyết phản ứng dây chuyền.
Trong những năm 1930, trên cơ sở các cơng trình nghiên cứu của Eyring, Evans và Polani đã hình
thành lý thuyết tốc độ tuyệt đối của phản ứng hóa học.
II. TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG
1. Ðịnh nghĩa

TOP

Các phản ứng diễn ra nhanh chậm khác nhau, có phản ứng rất nhanh, gần như tức khắc, ví dụ phản ứng

phân hủy chất nổ chỉ diễn ra trong vòng
Một số phản ứng của các ion trong dung dịch cũng thuộc
loại phản ứng đó, ví dụ phản ứng giữa các ion
.
Nhiều phản ứng khác kéo dài hàng phút, hàng giờ, hàng ngày. Ða số các phản ứng của hợp chất hữu cơ
thường diễn ra chậm có thể kéo dài hàng tuần, hàng tháng, những quá trình trong vỏ quả đất, trong vũ trụ có
thể lâu tới hàng năm, hàng triệu tỷ năm. Ðể đặc trưng cho sự nhanh chậm của phản ứng, người ta dùng khái
niệm tốc độ phản ứng và được định nghĩa như sau:
"Tốc độ phản ứng là biến thiên nồng độ của một chất đã cho (chất đầu hoặc chất cuối) trong một đơn vị
thời gian.
2. Biểu thức tính tốc độ phản ứng

TOP

Ở nhiệt độ khơng đổi, giả sử có phản ứng hóa học diễn ra theo sơ đồ:

Phương trình phản ứng (I) gọi là phương trình tỷ lượng. Ðể biểu diễn tốc độ phản ứng người ta có thể
chọn bất kỳ chất nào trong phản ứng (A, B, X, Y), nhưng trong thực tế, người ta thường chọn chất nào dễ
theo dõi, dễ xác định được lượng của chúng ở các thời điểm khác nhau.
Ở đây, ta chọn chất A, X để khảo sát và cố định thể tích của hệ khảo sát (V = const).


III. ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG
Ðối với phản ứng tổng quát (II) ở T = const Guldberg và Waage thiết lập biểu thức liên hệ giữa tốc độ
phản ứng với nồng độ chất phản ứng. Ðó là biểu thức của định luật tác dụng khối lượng.


Biểu thức (1.6) biểu diễn định luật cơ bản của động hóa học, nó mơ tả ảnh hưởng của nồng độ lên tốc
độ phản ứng.
Theo cách mô tả ở trên, ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng là một hàm số nồng độ của một hoặc

một số chất phản ứng. Ðối với các loại phản ứng khác nhau dạng đường cong biểu diễn sự phụ thuộc này là
khác nhau.
k ở trong phương trình (1.6) là một hằng số ở nhiệt độ khơng đổi, nó đặc trưng động học cho phản ứng
cho trước. Nếu ta thu xếp cách biểu diễn nồng độ làm sao cho [A] = [B] = 1 mol/l thì v = k, vậy:
Hằng số tốc độ phản ứng là tốc độ phản ứng khi nồng độ các chất phản ứng bằng nhau và bằng đơn vị
(= 1).
Thứ nguyên (đơn vị biểu diễn) của hằng số tốc độ tùy thuộc vào loại (bậc) của phản ứng (xem bảng
2.1).
phương trình (1.6) được gọi là phương trình tốc độ hay phương trình động học của phản ứng hóa học.
So sánh (1.4) và (1.6) phương trình tốc độ cịn được biểu thị:

Biểu thức này cho biết mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng với nồng độ. Dạng của đường biểu diễn này
cũng khác nhau.
IV. PHÂN LOẠI ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG
Về phương diện động hóa học, người ta có thể chia các phản ứng hóa học theo phân tử số và bậc phản
ứng.
1. Phân tử số phản ứng

TOP

Phân tử số phản ứng là số phân tử tương tác đồng thời với nhau để trực tiếp gây ra biến hóa học trong
một phản ứng cơ bản. Còn phản ứng cơ bản (hay phản ứng sơ cấp) là phản ứng chỉ một giai đoạn duy nhất,
chất phản ứng tương tác với nhau trực tiếp cho sản phẩm phản ứng. Dựa vào khái niệm phân tử số phản ứng,
chúng ta có thể phân biệt ba loại phản ứng: phản ứng đơn phân tử, lưỡng phân tử và tam phân tử.

Khi các phân tử tương tác với nhau, không phải tất cả các va chạm giữa chúng đều dẫn đến biến hóa
hóa học, mà chỉ một phần nhỏ va chạm trong các va chạm dẫn đến biến hóa hóa học, va chạm đó gọi là va
chạm có hiệu quả hay va chạm hiệu dụng.
Khi phản ứng hóa học diễn ra, để đảm bảo cho các phân tử va chạm đồng thời dẫn đến biến đổi hóa
học, thì phản ứng càng nhiều phân tử tham gia càng khó thực hiện điều kiện trên. Người ta đã tính xác suất

và chạm, thì xác suất va chạm ba là bé nhất, có nghĩa phản ứng tam phân tử rất hiếm, trong thực tế người ta
chưa tìm thấy phản ứng có phân tử số cao hơn 3.


Theo ý nghĩa của phân tử số muốn cho phân tử trên diễn ra phải do sự va chạm đồng thời của 13 phân
tử. Ðiều này không bao giờ gặp như vừa nói ở trên, chưa gặp phản ứng có phân tử số là 4, huống chi là 13.
Mặt khác nghiên cứu phản ứng bằng thực nghiệm cho biết phản ứng trên là phản ứng phức tạp (bậc ba).
Sự phân tích trên cho thấy khái niệm phân tử số khơng áp dụng triệt để cho nhiều phản ứng hóa học.
Ðiều đó dẫn đến sự ra đời một khái niệm khác mới thay thế cho khái niệm phân tử số, đó là bậc phản ứng.
2. Bậc phản ứng

TOP

Từ đó dẫn đến định nghĩa bậc phản ứng:
"Bậc phản ứng đối với một chất cho trước là số mũ nồng độ của chất ấy trong phương trình động học
của phản ứng".


Ngồi các bậc kể trên, có thể có phản ứng bậc phân số hoặc bậc âm nữa. Ðiều chúng ta cần lưu ý là:
trong trường hợp chung
là hệ số tỷ lượng trong phương trình (II), khi phản ứng là
phản ứng đơn giản (cơ bản) thì hai đại lượng đó trùng nhau.
3. So sánh phân tử số và bậc phản ứng

TOP

-Bậc phản ứng có thể là số nguyên dương, và cũng có thể là âm, khơng hoặc phân số nữa, cịn phân tử
số có giá trị nguyên, dương. Trị số cao nhất của bậc phản ứng và phân tử số là ba.
- Khái niệm phân tử số chỉ được áp dụng cho phản ứng cơ bản (1 giai đoạn) không áp dụng cho phản
ứng phức tạp bao gồm nhiều giai đoạn (phản ứng cơ bản), còn bậc phản ứng chỉ được xác định bằng thực

nghiệm.
4. Phản ứng bậc giả

TOP

Ðối với phản ứng phức tạp, tốc độ phản ứng là một hàm số của nồng độ của một vài chất phản ứng. Sự
phụ thuộc phức tạp này gây khó khăn cho việc nghiên cứu thực nghiệm. Ðể làm cho sự phụ thuộc phức tạp
nói trên đơn giản hơn, người ta sử dụng khái niệm bậc giả. Nội dung cơ bản của vấn đề là tìm cách chuyển
cho tốc độ phản ứng là một hàm số chỉ đối với nồng độ chất nghiên cứu.
Trong thực tế, người ta thực hiện như sau:


Ở đây, nồng độ HCl là chất xúc tác, nên nồng độ của nó khơng thay đổi trong phản ứng. Cịn nước là
dung mơi, lượng của nó lớn nên lượng nước thay đổi trong phản ứng là không đáng kể, do đó thực tế nồng độ
của nước cũng khơng thay đổi, nghĩa là:

5. Một số nhận xét

TOP

a) Ta có hai loại phương trình: phương trình tỷ lượng (phương trình hợp thức) và phương trình tốc độ
(phương trình động học).
Phương trình tỷ lượng của phản ứng chỉ mô tả trạng thái đầu và cuối của phản ứng, không phản ánh sự
diễn biến của phản ứng. Cịn phương trình động học có thể phản ánh cơ chế phản ứng một cách chung nhất.
Các hệ số tỷ lượng trong phương trình được đưa vào lúc cân bằng phương trình, trái lại các số lũy thừa (số
mũ) của nồng độ trong phương trình động học được xác định bằng thực nghiệm, nghĩa là phương trình động
học được xác lập bằng thực nghiệm, sau khi đã biết rõ cơ chế phản ứng.
Từ sự phân tích trên, chúng ta cần lưu ý rằng không thể dựa vào phương trình tỷ lượng mà rút ra
phương trình động học một cách máy móc, làm như vậy sẽ mắc sai lầm, ví dụ đối với hai phản ứng dưới đây:

Bài tập chương I
1. a) Tốc độ phản ứng, hằng số tốc độ phản ứng là gì?
b) Phân tử số phản ứng, bậc phản ứng là gì? Phân biệt hai khái niệm này.
c) Tốc độ phản ứng, hằng số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào yếu tố nào?
2. Khi có chất phản ứng (tác chất) A, B tác dụng với nhau tạo ra sản phẩm X, Y ở nhiệt độ khơng đổi biểu
diễn phương trình tốc độ (phương trình động hóa học) và phương trình phản ứng (phương trình tỷ lượng
hay phương trình hợp thức) của phản ứng (nếu phản ứng là phản ứng đơn giản).
Sự khác nhau cơ bản giữa hai loại phương trình nói trên.
3. a) Tại sao trong trường hợp chung, khơng thế máy móc căn cứ vào phương trình phản ứng mà suy ra
phương trình tốc độ được. Trường hợp nào thì có thể suy trực tiếp phương trình tốc độ từ phương trình
phản ứng.
b) Cho các phản ứng đơn giản sau, viết phương trình tốc độ của từng phản ứng. Cho biết bậc (toàn phần)
và bậc (riêng phần) đối với chất phản ứng.
H2 + I2

2HI

2NO + O2

2NO2

2NO + Cl2

2NOCl

2NO + Br2

2NOBr

FeCl3 + SnCl2

FeCl2 + SnCl4

RCOOR' + NaOH → RCOOR + R'OH
CH3COOH + C2H5OH → CH3COOC2H5 + H2O


CHƯƠNG II

ÐỘNG HÓA HỌC CỦA PHẢN ỨNG ÐƠN GIẢN
I.
II.

PHẢN ỨNG ĐƠN
CÁC QUI LUẬT ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG ĐƠN GIẢN
1.
Phản ứng bậc 1
2.
Phản ứng bậc hai
3.
Phản ứng bậc ba
4.
Phản ứng bậc n


III.

5.

Phản ứng bậc không
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM ĐO TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG XÁC ĐỊNH BẬC VÀ HẰNG SỐ
TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG
1.
Phương pháp đo tốc độ phản ứng
2.
Xác định bậc phản ứng

CHƯƠNG II

ÐỘNG HÓA HỌC CỦA PHẢN ỨNG ÐƠN GIẢN
I. PHẢN ỨNG ĐƠN GIẢN
Phản ứng đơn giản là phản ứng một chiều mà biến hóa của nó chỉ có một giai đoạn duy nhất, đi trực tiếp từ
chất đầu đến chất cuối.
Về nguyên tắc các phản ứng hóa học diễn ra theo hai chiều ngược nhau, gọi là phản ứng thuận nghịch. Ở
điều kiện xác định một chiều nào đó của phản ứng trội hơn hẳn chiều kia, thì phản ứng đó được coi là phản
ứng một chiều.
Khi phản ứng diễn ra, nếu có ít nhất một trong các chất phản ứng (chất đầu) phản ứng đến hết, phản ứng như
thế gọi là phản ứng hoàn toàn.
II. CÁCQUI LUẬT ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG ĐƠN GIẢN
Ta sẽ khảo sát một số phản ứng bậc 1, 2, 3.
1 Phản ứng bậc 1

TOP



Hình 2.1: Sự thay đổi nồng độ chất phản ứng theo thời gian trong phản ứng đơn giản
Trong quá trình phản ứng nồng độ chất phản ứng A giảm, lượng biến hóa của nó chính là lượng sản phẩm tạo
thành tăng.

c. Thứ nguyên của hằng số tốc độ
Từ phương trình động học của phản ứng:


Hình 2.2: Chu kỳ bán hủy phản ứng bậc 1
e. Áp dụng các qui luật động học của phản ứng bậc 1 cho q trình phóng xạ:


2 Phản ứng bậc hai

2.1 Trường hợp 1 (a = b)

TOP


Nếu tính từ đầu t = 0 thì thời gian cần là:
3t1/2 + 4t1/2 = 7t1/2.


Hình 2.3: Chu kỳ bán hủy của phản ứng bậc hai
Hình vẽ cho ta thấy thời gian tổng quát diễn ra phản ứng bậc 2 lâu hơn phản ứng bậc 1, cũng tương tự như
thế, phản ứng bậc 3 lại lâu hơn phản ứng bậc 2. Bởi vì càng về sau thì phản ứng bậc 2 càng chậm hơn phản
ứng bậc 1.
Kết luận: phản ứng bậc càng cao thì diễn ra càng chậm.

=


Ðây là phương trình động học, của phản ứng bậc 1. Như vậy, đối với phản ứng bậc 2, khi sử dụng nồng độ
của chất này rất lớn hơn chất kia ( b >> a) thì phản ứng sẽ giảm từ bậc 2 xuống bậc 1, và bậc của phản ứng là

bậc đối với chất có nồng độ bé hơn (ở đây chất A). Trường hợp này gặp trong phản ứng thủy phân.
c. Thời gian bán hủy
Ðối với phản ứng bậc 2 của hai chất A và B có nồng độ ban đầu khác nhau, người ta không xác định được
thời gian bán hủy cho phản ứng mà chỉ xác định cho từng chất riêng rẽ, ví dụ: xác định thời gian bán hủy đối
với chất A.


3 Phản ứng bậc ba

3.1 Trường hợp I

TOP


3.2 Trường hợp II


3.3 Trường hợp III


Từ phương trình này ta thấy đối với phản ứng bậc ba của ba chất A, B, C có nồng độ ban đầu khác nhau, khi
sử dụng nồng độ của một chất này rất lớn hơn của một chất kia, thì làm giảm bạc của phản ứng từ bậc ba
xuống bậc hai.
Tóm lại, ta có thể sử dụng phương pháp dùng nồng độ của một chất này lớn hơn nồng độ của chất kia để làm
giảm bậc của phản ứng. Trường hợp này gặp trong thực tế đối với phản ứng thủy phân, giảm từ phản ứng bậc
hai xuống bậc một.
c. Thứ nguyên của k

4 Phản ứng bậc n

TOP


5 Phản ứng bậc khơng

TOP

a. Ví dụ về phản ứng bậc khơng:

Hình 2.4: Mơ tả phản ứng bậc khơng


Hệ phản ứng gồm lớp Este bảo hòa nằm trên dung dịch este trong nước.

Từ đó, ta có thể kết luận: Phản ứng bậc 0 là phản ứng mà tốc độ v khơng thay đổi theo thời gian, cịn nồng độ
chất phản ứng thay đổi theo quy luật tuyến tính với thời gian t.

Hình 2.5: Sự phụ thuộc (a) tốc độ phản ứng vào t;
(b) Nồng độ chất phản ứng vào t.