Chuong8 tốc độ và cơ chế phản uứng

Chương 8
TỐC ĐỘ VÀ CƠ CHẾ
PHẢN ỨNG


ĐỘNG HÓA HỌC
Động hóa học nghiên cứu tốc độ, cơ chế, các
yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hóa học.
 Hệ số tỉ lượng của các phản ứng hóa học: Hệ
số trong phản ứng hóa học mô tả tương tác
(tối giản) của các phân tử trong 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 ra làm phản ứng đơn
giản và phản ứng phức tạp.
– Phản ứng đơn giản: Chỉ xảy ra 1 giai đoạn.
– Ví dụ:
N2 (k) + 3H2 (k)  2NH3 (k)
– Phản ứng phức tạp: Xảy ra qua nhiều giai đoạn
(có thể nối tiếp hoặc song song, hoặc đồng thời).
– Ví dụ:

N 2O5  N 2O3  O 2

N 2 O 3  N 2 O 5  4NO 2

 2N 2 O 5  4NO 2  O 2


TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG
• Tốc độ phản ứng (reaction rate) được đònh nghóa là sự
thay đổi nồng độ của tác chất hay sản phẩm xảy ra
trong một 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 trong một khoảng thời
gian xác đònh.
change in number of moles of B
Average rate 
change in time
 moles of B

t




Liên hệ giữa tốc độ tức thời và 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 đó k là hệ số tốc độ phản ứng.
• Ta nói phản ứng bậc a theo chất A và bậc b theo chất B.
• Bậc tổng quát của phản ứng là a+b+…(nếu nhiều hơn 2
tác chất).










Bậc phản ứng có thể bằng 0. Bậc phản ứng bằng 0
nếu thay đổi nồng độ của tác chất vẫn không ảnh
hưởng đến sản phẩm.
Phản ứng bậc 1 nếu tăng gấp đôi nồng độ sẽ dẫn
đến tăng gấp đôi tốc độ phản ứng.
Phản ứng bậc n nếu tăng gấp đôi nồng độ tốc độ
phản ứng sẽ tăng 2n lần.
Chú ý là bậc phản ứng phải xác đònh bằng thực
nghiệm, không đơn giản là dựa trên cơ chế phản
ứng.

Tốc độ theo từng cấu tử
aA + bB  pP + qQ

Theo tác chất có dấu -, theo sản phẩm có dấu +
Đơn vò của tốc độ phản ứng, theo IUPAC
(International Union of Pure and Applied
Chemistry), là mol.dm-3.s-1.


Hệ số tốc độ phản ứng k


Hệ số tốc độ phản ứng chứa các yếu tố ảnh hưởng
đến tốc độ phản ứng, ngoại trừ nồng độ, nên k
không phải hằng số.



Hệ số tốc độ phản ứng chủ yếu bò ảnh hưởng bởi
nhiệt độ (phương trình Arrhenius), bên cạnh đó còn
bò ảnh hưởng bởi năng lượng hoạt hóa, lực ion, bức
xạ ánh sáng, bề mặt của chất hấp phụ…




Đơn vò của hệ số tốc độ phản ứng phụ thuộc
vào bậc phản ứng:
phản ứng bậc zero, đơn vò của k là mol.l-1.s-1.

 Phản ứng bậc 1 là s-1.
 Phản ứng bậc 2 là l.mol-1.s-1.
 Phản ứng bậc n là mol1-n.ln-1.s-1.
 Với


NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ
ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG
ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ
Phản ứng bậc nhất
A ---> sản phẩm
Tốc độ phản ứng: v = - dCA/dt = kCA.
Lấy tích phân từ 0 (ứng với 0 s và CAo) đến
t (ứng với t s và CA). Ta có:
ln C A  ln C A0  kt
 CA
ln
 CA
 0


   kt




Dạng đồ thò biểu diễn
ln C A   kt  ln C A0
Ứng với dạng đồ thò lny = ax + b (bên trái)
hay y = ax + b (bên phải).

Bán chu kỳ phản ứng
• Bán chu kỳ phản ứng, t1/2 là thời gian phản ứng diễn ra
đến lúc tác chất còn một nửa so với ban đầu (CA1/2 =
1/2CAo).
• Biểu thức tính t1/2:
ln 12 0.693
t 




1

2

k

k

• Bán chu kỳ của phản ứng bậc 1 chỉ phụ thuộc k.


Phản ứng bậc 2
• Dạng 2A  sản phẩm
v = -dCA/dt = kC2A
Sau khi lấy tích phân, ta có
1
1

 kt 
CA
C A0
Bán chu kỳ phản ứng:

1
t 12 
kC A0


Dạng A+B  sản phẩm
Tốc độ phản ứng
v= -dCA/dt=-dCB/dt=kCACB
Sau khi lấy tích phân, ta có

C B0 C A
1
kt 
ln
C A0  C B0 C A0 C B


Phản ứng bậc 3
3A  sản phẩm
V = -dCA/dt = kC3A
Sau khi lấy tích phân, ta có:

1 1
1 
kt   2  2 

2  C A C A0 


BAÛNG TOÙM TAÉT

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 của nhiệt độ
Qui tắc van’t Hoff
tăng nhiệt độ lên 100 thì 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 này đúng trong khoảng nhiệt độ không lớn.




Ví dụ: Với phản ứng phân hủy N2O5, cho:
5
k 0 C  7.9  10 7 và k 30 C  3.6  10 tính k100 0 C ?
0

0

Ta có

3

 


k00 C 103

10

k00 C


3.6 10 5
3


 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 rằng hầu hết các phản ứng hóa học tuân
theo phương trình sau:

k   .e

E

RT

• k là hệ số tốc độ phản ứng, E* (J), là năng lượng hoạt
hóa, R là hằng số khí (8.314 J/(K.mol)) và T là nhiệt độ
(K).
• A là hằng số, đo xác suất va chạm có ích.
• Cả A và E* được cho theo từng phản ứng.



Năng lượng hoạt hoá, E*, là năng lượng cần
thiết nhỏ nhất để phản ứng bắt đầu xảy ra.




Dựa trên phương trình Arrhenius, nếu biết k1
ở một nhiệt độ T1 thì sẽ tính được k2 ở nhiệt
độ T2 theo biến đổi sau:

k1
e
k2

E  1 1 
  
R  T2 T1 


Ảnh hưởng của xúc tác


Khái niệm:
 “Chất

xúc tác là những chất làm tăng tốc độ phản ứng do

tham gia vào tương tác hóa học với các phản ứng ở giai
đoạn trung gian, nhưng sau phản ứng nó được phục hồi lại
và giữ nguyên về lượng cũng như về thành phần và tác
chất hóa học.”



Tác dụng chủ yếu của chất xúc tác là làm giảm
năng lượng hoạt hóa của phản ứng bằng cách thay
đổi cơ chế phản ứng từ đó làm tăng tốc độ phản ứng.


• Có hai loại xúc tác:
• Xúc tác đồng thể (Homogeneous Catalysis):
• Xúc tác và tác chất cùng 1 pha.
Xúc tác dò thể (Heterogeneous Catalysis):
• Xúc tác và tác chất khác pha.