Động học hóa học – hóa lý hệ phân tán

HÓA LÝ 2

Động học hóa học – hóa
lý hệ phân tán
Nguyễn Đình Minh Tuấn
Khoa Hóa – Đại học bách khoa – Đại học Đà Nẵng


Tài liệu tham khảo

❖ Principes de Chimie – Atkins P.W., Deoeck & Larcier s
2008, ISBN: 978-2-8041-5508-7

❖ Hóa lý và Hóa Keo, Nguyễn Hữu Phú, Nhà Xuất bản
Khoa học và Kỹ thuật, 2003

❖ Physical Chemistry, Third Edition, Robert G. Mortimer
Elsevier Inc., 2008

❖ Physical Chemistry – Understanding our Chemical Wo
Paul Monk, John Wiley & Sons, Ltd, 2004

2


Phần 1
Động học hóa học


Tại sao phải nghiên cứu động hóa học?
C6H12O6 + 6O2 →6CO2 + 6H2O + Q

ΔG° = -2,885 kJ/mol
Thermodynamically favorable

With such a thermodynamically favorable process, why doesn’t candy
explode into CO2 and H2O when exposed to air ?
KINETICS. Glucose oxidation is slow. The body uses protein catalysts
called enzymes to speed up the reactions.
4


Tại sao phải nghiên cứu động hóa học?

H2(g) + 1/2O2(g) = H2O(l)
Go298(r)=-254,8 kJ.mol-1

Nhiệt động học:
▪ Phản ứng diễn ra theo chiều nào?
Động hóa học:
▪ Tốc độ phản ứng là bao nhiêu?
▪ Bản chất hay cơ chế của phản ứng?

5


Tại sao phải nghiên cứu động hóa học?
❖ Động hóa học là môn học nghiên cứu về
tốc độ và cơ chế của quá trình hóa học
 Ở cấp độ vĩ mô: cho phép mô hình hóa được các
quá trình hóa học trong thực tế

❖ Nghiên cứu động học:
➔Năng suất và công nghệ của quá trình

6


Một số khái niệm cơ bản
❖ - Tốc độ phản ứng (Reaction rates)
❖ - Định luật vận tốc (Định luật tác dụng khối
lượng) (Rate Law).
❖ - Bậc phản ứng (Reaction Order).
❖ - Half-life: Thời gian bán phản ứng
❖ - Phản ứng nguyên tố (Elementary step).
❖ - Phân tử số (Molecularity).
❖ - Cơ chế phản ứng (Reaction Mechanism).
❖ - Lý thuyết va chạm (The Collision Theory).
❖ - Năng lượng hoạt hóa (Activation Energy).
❖ - Xúc tác (Catalyst).
7


Sơ lược nội dung
1. Vận tốc phản ứng
▪ Vận tốc phản ứng là gì?
▪ Vì sao phải nghiên cứu vận tốc phản ứng?
▪ Cách tính vận tốc của một phản ứng ra sao?

2. Định luật vận tốc
▪ Vận tốc phản ứng sẽ tuân theo quy luật nào?
▪ Bậc phản ứng là gì? Tại sao phải nghiên cứu bậc phản ứng?

Xác định bậc phản ứng như thế nào?
▪ Hằng số vận tốc?

3. Sự phụ thuộc của vận tốc vào nhiệt độ
4. Cơ chế của phản ứng
5. Động học phân tử
▪ Tại sao phản ứng xảy ra?
▪ Các yếu tố nào ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng?

8


Outline

9


CHƯƠNG 1

VẬN TỐC PHẢN ỨNG
Phản ứng đồng thể đơn giản

10


Vận tốc phản ứng

❖Vận tốc của các phản ứng hóa học thay
đổi rất lớn.
Rất chậm → rất nhanh

rusting

baking

explosion

11


Vận tốc phản ứng
❖ Định nghĩa:
▪ Vận tốc phản ứng (reaction rate) là sự thay thổi nồng
độ của một trong các chất tham gia phản ứng
(reactant) hoặc là một trong các sản phẩm tạo thành
(product) trong một đơn vị thời gian diễn ra phản ứng.

R→P
[R]
r=t

[R]: sự thay đổi nồng độ của chất phản ứng R
trong khoảng thời gian t
Dấu « - » : nồng độ của R giảm theo t

[P]
r=
t

[P]: sự thay đổi nồng độ của sản phẩm P trong
khoảng thời gian t

12


Vận tốc phản ứng
❖ Phản ứng không diễn ra với cùng 1 tốc độ và
chậm dần theo thời gian
❖ Khi phản ứng diễn ra, nồng độ của các chất
phản ứng giảm dần và làm giảm tần số va chạm
giữa các phần tử

A+B→C

0%

25%
reactants

50%

75%

100%

percentage completion of reaction

product
13


Vận tốc phản ứng

❖Xét phản ứng
2N2O5(g)→ 4NO2(g) + O2(g)

Chất tham gia giảm
theo thời gian

Sản phẩm tăng
theo thời gian
14


Vận tốc phản ứng

2N2O5(g)→ 4NO2(g) + O2(g)

15


Vận tốc phản ứng
Vận tốc trung bình của phản ứng

(average reaction rate)

16


Vận tốc phản ứng
Vận tốc trung bình của phản ứng

(average reaction rate)

aA + bB → cC + dD
1 A
1 B  1 C  1 D 
r=−
=−
=
=
a t
b t
c t
d t

17


Vận tốc phản ứng
Vận tốc trung bình của phản ứng

(average reaction rate)

❖Write the rate expression for the
following reaction
CH4 (g) + 2O2 (g) → CO2 (g) + 2H2O (g)

18


Vận tốc phản ứng
Vận tốc tức thời của phản ứng

(Instantaneous Rate of Reaction)

Vận tốc tức thời ↔ Hệ số góc của tiếp tuyến
19


Ví dụ 1:
Br2 (aq) + HCOOH (aq) → 2Br- (aq) + 2H+ (aq) + CO2 (g)

20


Ví dụ 1:
Br2 (aq) + HCOOH (aq) → 2Br- (aq) + 2H+ (aq) + CO2 (g)

0.012

Time (s) [Br2] (M)
0.01200

50

0.01010

100

0.00846

150

0.00710

200

0.00596

250

0.00500

300

0.00420

350

0.00353

400

0.00296

0.010
[Br2] (M)

0

Rate at 100s
2,96×10-5 M/s

Rate at 100s
2,09×10-5 M/s

0.008
0.006
0.004

Rate at 100s
1,48×10-5 M/s

slope of
tangent

0.002
0.000
0

100

200
Time (s)

300

400

21


Ví dụ 1:

Br2 (aq) + HCOOH (aq) → 2Br- (aq) + 2H+ (aq) + CO2 (g)
Rate (M/s)

Biểu diễn vận tốc ~ [Br2]

k (s-1)

5.00E-05

0

0.01200

4.20 × 10-5

3.50 × 10-3

50

0.01010

3.52 × 10-5

3.49 × 10-3

100

0.00846

2.96 × 10-5

3.50 × 10-3

150

0.00710

2.49 × 10-5

3.51 × 10-3

200

0.00596

2.09×

10-5

10-3

250

0.00500

1.75 × 10-5

3.50 × 10-3

300

0.00420

1.48 × 10-5

3.52 × 10-3

350

0.00353

1.23 × 10-5

3.48 × 10-3

400

0.00296

1.04 × 10-5

3.51 × 10-3

3.51 ×

Rate (M/s)

Time (s) [Br2] (M)

4.00E-05

3.00E-05
2.00E-05
1.00E-05
0.00E+00
0.000

0.005

0.010

0.015

[Br2] (M)

22


❑Study of rates is useful since the
results will:
1) Indicate how to manipulate
factors to control the reaction
2) Lead to the mechanism of the
reaction
3) Indicate time needed to get a
given amount of product
4) Indicate amount of product in a
given amount of time
23

Ví dụ 2: Xác định vận tốc phản ứng
To measure reaction rate, we measure the
concentration of either a reactant or product at
several time intervals.
The concentrations are measured using
spectroscopic method or pressure (for a gas).
For example, the total pressure increases for the
reaction:

barometer

2 N2O5 (g) → 4 NO2 (g) + O2(g)
Because 5 moles of gas products are produced
from 2 moles of gas reactants.
For the reaction:

CaCO3 (s) → CaO(s) + CO2 (g)
The increase in gas pressure is entirely due to CO2 formed.

24


Ví dụ 2: Xác định vận tốc phản ứng

- N2O5 tinh thể được cho vào
trong 1 bình kín được gắn một
áp kế
-Gia nhiệt ở 45°C, tinh thể bay
hơi và N2O5 bị phân hủy

2N2O5(g)→ 4NO2(g) + O2(g)

- Đọc giá trị áp suất ở áp kế => biết
được áp suất riêng phần (hay nồng độ)
của N2O5 trong quá trình phản ứng
25