Thế nào là tốc độ tức thời của phản ứng

Trong các phản ứng hóa học, tốc độ phản ứng có thể được xác định theo hai cách là tốc độ tức thời và tốc độ trung bình. Sự khác biệt chính giữa tỷ lệ tức thời và tỷ lệ trung bình là tốc độ tức thời đo lường sự thay đổi nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một khoảng thời gian đã biết trong khi tốc độ trung bình đo lường sự thay đổi nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm trong toàn bộ thời gian thực hiện phản ứng hóa học.

Tốc độ phản ứng của phản ứng hóa học là thước đo sự thay đổi nồng độ chất phản ứng được sử dụng hết hoặc các sản phẩm được hình thành trong quá trình phản ứng. Nó còn được gọi là tốc độ phản ứng.

NỘI DUNG

1. Tổng quan và sự khác biệt chính2. Tỷ lệ tức thời là gì 3. Tỷ lệ trung bình là gì 4. So sánh cạnh nhau - Tỷ lệ tức thời so với tỷ lệ trung bình ở dạng bảng

5. Tóm tắt

Tỷ lệ tức thời là gì?

Tốc độ tức thời là tốc độ của phản ứng hóa học được đo bằng sự thay đổi nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một khoảng thời gian đã biết. Trong phương pháp này, tốc độ của phản ứng trong một thời điểm tức thời cụ thể được đo. Nó cũng có thể được đo bằng tốc độ của phản ứng tại một thời điểm cụ thể. Tỷ lệ tức thời còn được gọi là tỷ lệ chênh lệch.

Tốc độ phản ứng của phản ứng hóa học thường khác nhau từ điểm này đến điểm khác trong quá trình phản ứng (tốc độ phản ứng thay đổi liên tục). Tốc độ phản ứng chậm lại khi các chất phản ứng được sử dụng hết cho phản ứng. Điều này là do nồng độ chất phản ứng giảm theo sự tiến triển của phản ứng (chất phản ứng được tiêu thụ bởi phản ứng hóa học).

Tỷ lệ thay đổi tức thời của công thức

Tỷ lệ tức thời được đưa ra như dưới đây.

Biểu đồ trên cho thấy sự giảm nồng độ chất phản ứng theo thời gian trong phản ứng hóa học; tốc độ tức thời là tốc độ của phản ứng tại một điểm cụ thể (điểm màu đỏ); tốc độ trung bình được tính bằng cách chia tổng nồng độ chất phản ứng (lúc đầu) cho tổng thời gian (50 phút).

Tỷ lệ trung bình là gì?

Tốc độ trung bình là tốc độ của phản ứng hóa học được đo bằng sự thay đổi nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm trong toàn bộ khoảng thời gian của quá trình phản ứng hóa học. Tốc độ phản ứng khác nhau từ điểm này đến điểm khác trong quá trình phản ứng hóa học do tốc độ phản ứng thay đổi liên tục. Nhưng tỷ lệ trung bình cho tỷ lệ trung bình của tất cả các điểm này, nhưng nó không cung cấp bất kỳ thông tin nào về điểm giữa bắt đầu và hoàn thành phản ứng.

Tỷ lệ thay đổi công thức trung bình

Tỷ lệ thay đổi trung bình được đưa ra như dưới đây.

Tỷ lệ trung bình = Δ (nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm) / (thời gian)

Tốc độ trung bình chỉ cho tốc độ trung bình của toàn bộ phản ứng, nhưng tốc độ trung bình này không phải là tốc độ thực tế trong suốt phản ứng vì tốc độ phản ứng giảm khi tiêu thụ chất phản ứng.

Sự khác biệt giữa tỷ lệ tức thời và tỷ lệ trung bình là gì?

Tốc độ tức thời là tốc độ của phản ứng hóa học được đo bằng sự thay đổi nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một khoảng thời gian đã biết.	Tốc độ trung bình là tốc độ của phản ứng hóa học được đo bằng sự thay đổi nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm trong toàn bộ thời gian diễn biến của phản ứng hóa học.
Thời gian
Tốc độ tức thời được đo trong một thời điểm cụ thể hoặc trong một khoảng thời gian rất ngắn.	Tỷ lệ trung bình được đo trong một khoảng thời gian dài hơn.
Công thức tính toán
Tốc độ thay đổi tức thời = Lim (t → 0) [Δ (nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm) / (thời gian)]	Tỷ lệ thay đổi trung bình = Δ (nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm) / (thời gian)

Tóm tắt - Tỷ lệ tức thời so với tỷ lệ trung bình

Tốc độ phản ứng của phản ứng hóa học là tốc độ thay đổi nồng độ của chất phản ứng hoặc sản phẩm. Tốc độ phản ứng có thể được xác định ở hai dạng là tốc độ tức thời và tốc độ trung bình. Sự khác biệt chính giữa tốc độ tức thời và tốc độ trung bình là tốc độ tức thời đo lường sự thay đổi nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một khoảng thời gian đã biết trong khi tốc độ trung bình đo lường sự thay đổi nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm trong toàn bộ thời gian để hoàn thành phản ứng hóa học.

Tài liệu tham khảo:

1. Laidler, Keith J. Tốc độ phản ứng. Encyclopædia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc., ngày 23 tháng 4 năm 2014, Có sẵn tại đây.2. Tìm kiếm tỷ lệ thay đổi tức thời. Học.com, có sẵn ở đây.

3. Thư viện. Tỷ lệ phản ứng Hóa học LibreTexts, Libretexts, ngày 21 tháng 7 năm 2016, Có sẵn tại đây.

TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG – CÂN BẰNG HÓA HỌC I/ TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG : Tốc độ phản ứng hóa học được đo bằng độ biến thiên nồng độ của một chất đã cho (chất phản ứng hoặc sản phẩm) trong một đơn vị thời gian. Nồng độ của chất thường tính bằng số mol trong 1 lít hệ phản ứng (mol/l). Thời gian được tính bằng giây, phút hoặc giờ. TD : ta có phản ứng : aA + bB D dD + eE (1) (a, b, d, e là hệ số cân bằng) Tốc độ phản ứng có thể được xác định bởi sự biến thiên nồng độ của chất tham gia phản ứng : Ở thời điểm t1 chất A có nồng độ [A]1 Ở thời điểm t2 chất A có nồng độ [A]2 Do A là chất tham gia phản ứng nên nồng độ của nó giảm theo thời gian phản ứng nên [A]2 < [A]1 Độ biến thiên nồng độ D[A] = [A]2 – [A]1 trong khoảng thời gian Dt = t2 – t1. Tốc độ trung bình của phản ứng (1) được tính : (tính theo A) = (do v > 0 nên phải có dấu – trước D[A]) tương tự nếu tính theo chất B ta có : (tính theo B) = Tốc độ phản ứng có thể tính theo sản phẩm phản ứng : TD : Tính theo chất D : Ở thời điểm t1 chất D có nồng độ là [D]1 Ở thời điểm t2 chất D có nồng độ là [D]2 Ta có : độ biến thiên nồng độ : D[D] = [D]2 – [D]1 trong khoảng thời gian Dt = t2 – t1 là tốc độ trung bình của phản ứng (1) (tính theo D) = (do theo thời gian nồng độ sản phẩm tăng lên nên [D]2 – [D]1 > 0 ) tương tự khi tính theo E ta có : (tính theo E) = Qui tốc độ phản ứng về cùng giá trị : Như đã xét, tốc độ phản ứng biểu thị theo các chất khác nhau vì vậy để qui tốc độ phản ứng về cùng một giá trị thì phải chia tốc độ phản ứng cho hệ số cân bằng của phương trình : TD : đối với phản ứng : aA(k) + bB(k) D dD(k) + eE(k) (1) ta có : = TD : đối với phản ứng : 2H2O2 D O2 (k) + 2H2O(k) Ta có : = Như vậy tốc độ trung bình của phản ứng (2) bằng tốc độ tạo thành O2 bằng tốc độ tạo thành H2O và bằng - tốc độ tiêu hao H2O2 1/ Tốc độ trung bình, tốc độ tức thời : Tốc độ phản ứng tính theo sự biến thiên nồng độ của chất phản ứng (hoặc sản phẩm) theo khoảng thời gian t nói trên gọi là tốc độ trung bình của phản ứng. Ta có thể lấy biến thiên nồng độ của chất phản ứng (hoặc sản phẩm) trong một khoảng thời gian vô cùng bé (Dt " 0) thì lúc đó tỉ số : (thí dụ tính theo chất D) tiến gần tới một giới hạn nhất định đó gọi là vận tốc tức thời của phản ứng ở thời điểm đã cho. Nồng độ sản phẩm Thời gian phản ứng t [D]t Vtt = tg V(tức thới) = V(tức thời) = Khi đường cong biến thiên nồng độ của một chất phản ứng theo thời gian đã được xác định bằng thực nghiệm thì vận tốc tạo thành hay tiêu hao chất đó ở thời điểm t là hệ số góc của đường tiếp tuyến với đường cong tại điểm có hoành độ là t. Vận tốc tức thời của phản ứng là biến thiên nồng độ theo thời gian (đạo hàm của nồng độ theo thời gian) chia cho hệ số cân bằng thích hợp. Những yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng : Bản chất của chất phản ứng : cấu tạo, trạng thái lý tính khác nhau của các chất làm cho phản ứng xảy ra với tốc độ khác nhau. Nồng độ của các chất. Anh hưởng của nhiệt độ Anh hưởng của chất xúc tác. 2/ Anh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng : a/ Phương trình tốc độ phản ứng : Phương trình tốc độ phản ứng biểu thị sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ các chất phản ứng và nhiệt độ. Ta xét ở điều kiện nhiệt độ không đổi. TD có phản ứng : aB(k) + bB(k) D dD(k) + eE(k) Phương trình tốc độ phản ứng có dạng : V = k[A]m[B]n (*) Trong phương trình (*) thì k : là hằng số tốc độ phản ứng, đặc trưng cho mỗi phản ứng và không thay đổi theo nhiệt độ. m, n gọi là bậc của phản ứng, cho biết nồng độ mỗi chất tác dụng ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ phản ứng. Ở phương trình (1) ứng với biểu thức (*) thì : m là bậc của phản ứng đối với chất A. n là bậc của phản ứng đối với chất B. (m + n) là bậc chung của phản ứng. Các số m, n, k chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm không có liên hệ gì với hệ số tỉ lượng a, b, d, e của các chất trong phương trình phản ứng (trong các phản ứng đơn giản thì m, n có thể trùng với a, b nhưng nói chung trong đa số trường hợp m ¹ a, n ¹ b) TD : ta có phản ứng : H2O2 + 2HI D 2H2O + I2 (*) Phản ứng xảy ra qua 2 giai đoạn sơ cấp như sau : H2O2 + HI " HIO + H2O (1) xảy ra chậm HIO + HI " I2 + H2O (2) xảy ra nhanh Tốc độ phản ứng (*) là do phản ứng (1) quyết định. Ta có : V = k[H2O2][HI] bậc của phản ứng (*) là 2 TD : phản ứng : NO2(k) + CO(k) " NO(k) + CO2(k) (*) Phản ứng này xảy ra qua 2 giai đoạn sơ cấp như sau : 2NO2 " NO3 + NO (1) xảy ra chậm NO3 + CO " NO2 + CO2 (2) xảy ra nhanh Tốc độ phản ứng (*) được quyết định bởi phản ứng (1) ta có V = k[NO2]2 vậy phản ứng (*) có bậc 2. Đối với phản ứng dị thể : xảy ra giữa các chất khí – rắn, khí – lỏng, rắn – dung dịch thì tốc độ phản ứng chỉ phụ thuộc nồng độ chất khí, nồng độ chất tan phản ứng trong dung dịch, không phụ thuộc vào chất rắn. TD : phản ứng C(r) + O2(k) " CO2(k) có V = k[O2] Zn(r) + 2H+ " Zn2+ + H2 V = k[H+]2 Phản ứng hóa học mà chúng ta thường viết nói chung là phản ứng tổng cộng của nhiều giai đoạn, mỗi giai đoạn trung gian được gọi là giai đoạn sơ cấp. Tốc độ của giai đoạn sơ cấp nào xảy ra chậm nhất sẽ quyết định tốc độ của phản ứng chung. Số phân tử tham gia vào một giai đoạn sơ cấp được gọi là phân tử số của giai đoạn đó. Bằng thực nghiệm người ta xác định được phương trình động học của phản ứng, từ đó đề xuất được các giai đoạn sơ cấp của phản ứng gọi là cơ chế phản ứng. TD : Cho phản ứng : 2NO2(k) + F2(k) " 2FNO2 (k) (*) Thực nghiệm cho biết tốc độ của phản ứng trên là : V = k[NO2][F2] . Hãy đề nghị một cơ chế của phản ứng. Giải Phản ứng (*) ít nhất phải xảy ra qua 2 giai đoạn và biểu thức tốc độ của quá trình sơ cấp chậm phải theo tỉ lệ 1:1 đối với NO2 và F2 Phản ứng (*) có thể xảy ra qua 2 giai đoạn sau : NO2 + F2 " FNO2 + F (1) xảy ra chậm NO2 + F " FNO2 (2) xảy ra nhanh Theo (1) ta có V = k[NO2][F2] là vận tốc của phản ứng chung Phản ứng bậc nhất : Nếu sự biến đổi A " sản phẩm là một quá trình bậc 1 thì tốc độ phản ứng phụ thuộc bậc nhất vào nồng độ chất tham gia. TD : phản ứng A " B ta có V = k[A] Mặt khác ta có V = = k[A] = - k[A] = - kdt (3) Lấy tích phân xác định (3) từ t = 0 đến t = t . Khi t = 0 ứng với nồng độ chất A là [A]0 , khi t = t ứng với nồng độ chất A là [A] ln[A] - ln[A]0 = - k(t – 0) = - kt = - kt (4) Ở biểu thức (4) [A] : là nồng độ A ở thời điểm t , [A]0 là nồng độ A ban đầu, k là hằng số tốc độ của phản ứng. Nếu gọi x là độ giảm nồng độ chất A sau thời gian t ta có : [A] = ([A]0 – x) Từ (4) ta có : k = = Nhận xét : Hằng số tốc độ k không phụ thuộc vào đơn vị biểu thị nồng độ, nó có thứ nguyên nghịch đảo của thời gian. Giả sử sau thời gian t = 1/2 thì A phản ứng hết một nửa lượng chất. Ta có : x = ta có : k = ln = ln2 = = Thời gian có tên là thời gian nữa phản ứng (hay chu kỳ bán hủy). Từ phương trình (5) ta thấy chu kỳ bán hủy của phản ứng bậc 1 không phụ thuộc vào nồng độ và tỉ lệ nghịch với hằng số tốc độ phản ứng. TD : Phản ứng phân hủy N2O5 là một phản ứng bậc 1 có hằng số tốc độ ở 450C là k = 5,1.10-4 s-1 theo phương trình : 2N2O5(k) " 4NO2(k) + O2(k) a/ Nếu nồng độ ban đầu của N2O5 là 0,25M, tìm nồng độ của nó sau 3,2 phút b/ Phải mất bao lâu để nồng độ của nó giảm từ 0,25M xuống còn bằng 0,15M ? c/ Phải mất bao lâu để chuyển hóa được 62% lượng N2O5 ban đầu ? Giải : a/ Ta có : nồng độ ban đầu của N2O5 là [A]0 = 0,25M ; k = 5,1.10-4 s-1 ; t = 3,260 = 192 s Từ công thức : = - kt [A] = 0,23M b/ Ta có nồng độ ban đầu N2O5 = 0,25M ; nồng độ ở thời điểm t = 0,15M. Ap dụng công thức ta có : = - kt t = t = 1002 s = 16 phút 42 s c/ Lượng N2O5 ban đầu là 100% lượng N2O5 đã tác dụng là 62% vậy lượng N2O5 còn lại là 38%. Ta có : = - kt t = t = = 1897 s = 31 phút 37 s Phản ứng bậc 2 : Phản ứng bậc 2 là phản ứng mà tốc độ của nó phụ thuộc bậc 2 vào nồng độ tác chất. Sơ đồ 1 : 2A " sản phẩm TD : 2C4H6 " C8H12 Ta có : V = = k[A]2 . Lấy tích phân xác định từ t = 0 (ứng với nồng độ A là [A]0 đến t ứng với nồng độ của A là [A] ta có : = 2kt = Ở thời gian t = (chu kỳ bán hủy) ta có : [A] = thay vào ta có : 2k = = Sơ đồ 2 : A + B " sản phẩm TD : phản ứng xà phòng hóa este CH3COOC2H5 + OH- " CH3COO- + C2H5OH Ta có : V = k[A][B]. Theo phương trình số mol A và B tác dụng bằng nhau. a/ Nếu nồng độ ban đầu của A và B bằng nhau ta có : [A]0 = [B]0 [A] = [B] V = k[A]2 2kt = b/ Nếu nồng độ ban đầu của A và B khác nhau : [A]0 [B]0 [A] [B] ta có : V = . Gọi x là nồng độ mol của A đã mất ở thời điểm t. Ta có : [A] = [A]0 – x , [B] = [B]0 – x. Vậy V = vì nên ta có : = kdt. Lấy tích phân xác định 2 vế trong giới hạn từ 0 đến t và từ 0 đến x ta có : = kt = đk [A]0 > [B]0. Nếu trường hợp [B]0 > [A]0 thì biểu thức trên trở thành : kt = 3/ Anh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng : Tốc độ phản ứng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Thông thường khi tăng nhiệt độ thì tốc độ phản ứng tăng rất nhanh. TD phản ứng : 2H2 + O2 " 2H2O . Ở nhiệt độ t < 3000C phản ứng xảy ra rất chậm có thể coi như không xảy ra. Ở nhiệt độ 7000C phản ứng xảy ra tức khắc dưới dạng nổ. Dựa vào kết quả của nhiều thí nghiệm, nhà khoa học người Hà Lan là Van’t Hoff nêu ra quy tắc kinh nghiệm : “ Cứ tăng nhiệt độ lên 100C thì tốc độ phản ứng hóa học trung bình tăng từ 2 đến 4 lần”. Với mỗi phản ứng số lần tăng của tốc độ phản ứng khi tăng nhiệt độ thêm 100C được gọi là hệ số nhiệt độ của tốc độ phản ứng (kí hiệu là ). Giả sử ở t10C phản ứng có vận tốc V1. Ở nhiệt độ t20C phản ứng có vận tốc V2. Theo Van’t Hoff ta có công thức : Qui tắc Van’t Hoff là qui tắc gần đúng. Năm 1889 nhà khoa học người Thụy Điển là Arrhenius dựa vào các định luật nhiệt động lực học đề xuất biểu thức cho thấy sự phụ thuộc hằng số tốc độ phản ứng vào nhiệt độ tuyệt đối T như sau : (*) trong đó : k : là hằng số tốc độ phản ứng Ea : năng lượng hoạt hóa của phản ứng R : hằng số khí lý tưởng T : nhiệt độ tuyệt đối (K) Lấy tích phân bất định (*) ta có : lnk = (lnA là hằng số tích phân) Từ đó ta có : k = Biều thức này còn gọi là phương trình Arrhenius. Hệ số A được gọi là thừa số trước số mũ hay thừa số tần số. Giá trị của A không phụ thuộc vào nhiệt độ. Từ Lấy tích phân xác định từ T1 đến T2 ta có : Nếu chuyển thành logarit thập phân ta có : Đây là dạng khác của pt Arrhenius * Hằng số khí R : Theo phương trình trạng thái khí : PV = nRT R = Khi P = 1 atm ; V = 22,4 lít ; T = 273 K ; n = 1 mol R = = Khi P = 760 mmHg ; V = 22400 ml ; T = 273 K ; n = 1 mol R = = 62358,97436 Trong hệ SI áp suất đơn vị của áp suất là Pascal (Pa) : 1 atm = 1,01325.105 Pa Khi P = 101,325 kPa ; V = 22,4 lít ; T = 273 K ; n = 1 mol R = Ta có : 1 cal = 4,1868 J R = 1,9857 * Ap suất P : Khi tải trọng được phân bố đều thì áp suất được xác định bằng lực đặc lên một đơn vị bề mặt : P = Đơn vị áp suất được lấy bằng áp suất phân bố đều trong đó 1 đơn vị bề mặt chịu một đơn vị lực. Đơn vị áp suất trong hệ SI là Pascal (Pa) 1 Pa = 1 N/m2 = 1 Kg/m.s2 = 10 đyn/cm2. 1 bar = 105 Pa = 106 đyn. 1 atm = 1,01325.105 Pa. Đơn vị áp suất trong hệ CGS là đyn/cm2 : 1 đyn/cm2= 1 g/cm.s2 Atmotphe vật lý (tiêu chuẩn) ký hiệu : atm được định nghĩa là áp suất của không khí làm cân bằng một cột thủy ngân có độ cao 76 cm, khi khối lượng riêng của thủy ngân là 13,595 g/cm3 và giá trị tiêu chuẩn của sự rơi tự do là 980,665 cm/s2. TD : Đối với phản ứng : C2H5I + OH- " C2H5OH + I- Có các hằng số tốc độ như sau : k1 = 5,03.10-2 (l.mol-1.s-1) ở 289K và k2 = 6,71 (l.mol-1.s-1) ở 333K a/ Tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng. b/ Tính hằng số tốc độ phản ứng tại nhiệt độ 305K Giải : a/ Năng lượng hoạt hóa của phản ứng : Ta có : Ea = Ea = = 89,0 KJ.mol-1 b/ Hằng số tốc độ phản ứng ở 305K : Ta có k305 = 0,35 (l.mol-1.s-1) 4. ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng : * Các khái niệm chung : - Chất xút tác chỉ có tác dụng đối với những phản ứng tự diển biến (G 0). - Xúc tác đồng thể : Trong phản ứng, chất xút tác và chất tham gia phản ứng tạo thành hệ đồng thể. - Xúc tác dị thể : chất xúc tác và chất phản ứng tạo thành hệ dị thể. - Phản ứng tự xúc tác : sản phẩm của phản ứng có tác dụng xúc tác trở lại cho phản ứng. - Xúc tác men : phản ứng diễn ra có tác dụng xúc tác của men. * Cơ chế tác dụng của xúc tác : - Trong phản ứng xúc tác đồng thể, chất xúc tác tạo với chất phản ứng những hợp chất trung gian kém bền dễ dàng tiếp tục phản ứng để tạo ra sản phẩm cuối cùng và hoàn trả lại chất xúc tác. Các giai đoạn tạo hợp chất trung gian đều có năng lượng hoạt hóa Eh nhỏ hơn năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không có xúc tác. Vì vậy chất xúc tác (dương) có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng. - Trong phản ứng xúc tác dị thể, chất xúc tác (rắn) hấp thụ chất phản ứng (lỏng hay khí) lên bề mặt của nó khiến nồng độ các chất phản ứng ở vùng bề mặt chất xúc tác tăng lên, khiến tốc độ phản ứng tăng. Ngoài ra, chất xúc tác có thể tạo với chất phản ứng những hợp chất bề mặt trung gian bền dễ chuyển thành sản phẩm phản ứng và hoàn lại chất xúc tác. Bản chất tác dụng của mọi xúc tác là : các quá trình có sự tham gia của chất xúc tác đều đòi hỏi năng lượng hoạt động hóa thấp hơn phản ứng không có chất xúc tác. II/ CÂN BẰNG HÓA HỌC : 1/ Phản ứng thuận nghịch : Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra theo 2 chiều ngược nhau ở cùng một điều kiện. Đặc điểm của phản ứng thuận nghịch là không hoàn toàn. Một phản ứng thuận nghịch trước sau gì cũng đạt đến trạng thái cân bằng. Chiều thuận TD : Có phản ứng thuận nghịch đồng thể : Chiều nghịch aA(k) + bB(k) dD(k) + eE(k) (1) Đối với phản ứng thuận ta có : Vt = kt[A]a[B]b Đối với phản ứng nghịch ta có : Vn = kn[D]d[E]e Theo thời gian phản ứng thì [A], [B] giảm Vt giảm và [D], [E] tăng Vn tăng. Đến thời điểm t nào đó thì : Vt = Vn lúc đó ta nói hệ phản ứng thuận nghịch đã đạt đến trạng thái cân bằng hóa học. Vt Vn tcb Thời gian phản ứng t 2/ Hằng số cân bằng của phản ứng thuận nghịch : Chiều thuận Ta xét phản ứng đồng thể : Chiều nghịch aA(k) + bB(k) dD(k) + eE(k) Theo phản ứng trên ta có : Năng lượng tự do của a mol chất A : aGA0 + RTlnPAa Năng lượng tự do của a mol chất B : bGB0 + RTlnPBb Năng lượng tự do của a mol chất D : dGD0 + RTlnPDd Năng lượng tự do của a mol chất E : eGE0 + RTlnPEe GA0, GB0, GD0, GE0 là năng lượng tự do tiêu chuẩn của A, B, D, E. Biến thiên năng lượng tự do DG của phản ứng được tính : DG(pư) = (sản phẩm) - (tác chất) DG(pư) = ( + RTlnPd ) + (eGEe + RTlnPe ) - (aGA0 + RTlnPa) - (bGB0 + RTlnPb) DG(pư) = (dGD0 + eGEe) – (aGA0 + bGBb) + RT DG(pư) = DG0 + RT Khi phản ứng đạt tới trạng thái cân bằng ta có : DG = 0 DG0 = - RT Nếu đặt KP = ta có : KP là là hằng số cân bằng áp suất riêng của phản ứng thuận nghịch. Đối với phản ứng (1) ta có : KC = Vì PV = nRT P = CRT nên ta có : KP = KCRTDn (với Dn = (d + e) – (a + b) là độ biến thiên số mol khí.) Cân bằng trong hệ dị thể : Một phản ứng thuận nghịch bao gồm các tác chất và sản phẩm không cùng một pha sẽ dẫn đến một cân bằng dị thể. TD : CaCO3 (r) D CaO(r) + CO2 (k) Ag2CrO4 (r) D 2Ag+ (aq) + CrO42- (aq) Do chất rắn có nồng độ coi như không đổi và không ảnh hưởng đến áp suất của hệ nên nó không có trong biểu thức tính hằng số cân bằng. TD : Đối với phản ứng : CaCO3 (r) D CaO(r) + CO2 (k) có KP = hoặc KC = [CO2] Đối với phản ứng : Ag2CrO4 (r) D 2Ag+ (aq) + CrO42- (aq) có KC = [Ag+]2[CrO42-] 3/ Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất đến cân bằng hóa học. Nguyên lý chuyển dời cân bằng : a/ Ảnh hưởng của nhiệt độ : Hằng số cân bằng KP là một hàm của nhiệt độ vì ta có : lnKP = Để mô tả sự phụ thuộc này ta có phương trình Van’t Hoff : Lấy tích phân xác định từ T1 đến T2 ta có : KP(T2) là hằng số cân bằng ở nhiệt độ T2, KP(T1) là hằng số cân bằng ở nhiệt độ T1 b/ Ảnh hưởng của áp suất : Khi tăng áp suất của hệ cân bằng thuận nghịch thì mức cân bằng dịch chuyển theo chiều làm giảm số mol khí. Thực chất sự tăng áp suất là sự tăng nồng độ các chất khí có trong hệ và ngược lại. Khi tăng hoặc giảm áp suất của hệ thì nồng độ các khí tham gia và tạo thành tăng hoặc giảm theo số lần bằng nhau. Nhưng phản ứng có bậc lớn hơn sẽ tăng hoặc giảm nhanh hơn. Kết quả là tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch sẽ thay đổi. TD : xét phản ứng : 2NO (k) + O2 (k) D 2NO2 (k) (không màu) (nâu) Nếu tăng áp suất của hệ lên 2 lần thì nồng độ các khí đều tăng 2 lần. Giả sử ban đầu hệ đang ở trạng thái cân bằng ứng với nồng độ các chất [NO] = a ; [O2] = b ; [NO2] = c (mol/l) thì ta có : Vt = kt[NO]2[O2] = Vn = kn[NO2]2 kta2b = knc2 Khi tăng áp suất của hệ lên 2 lần thì nồng độ các chất trong hệ tăng 2 lần, nghĩa là nồng độ NO = 2a, của O2 = 2b và của NO2 = 2c. Do đó ta có : Vt’ = kt(2a)2(2b) = 8kta2b = 8Vt và Vn’ = kn(2c)2 = 4knc2 = 4Vn Kết quả tốc độ phản ứng thuận tăng nhanh hơn tốc độ phản ứng nghịch, nên cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận. Ngược lại nếu giảm áp suất của hệ 2 lần thì nồng độ các chất giảm 2 lần và tính toán tương tự ta thấy tốc độ phản ứng nghịch tăng nhanh hơn tốc độ phản ứng thuận nên cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch. Vậy một hệ phản ứng các chất khí đang ở trạng thái cân bằng nếu : Tăng áp suất của hệ thì mức cân bằng dịch chuyển theo chiều giảm số mol khí. Giảm áp suất của hệ thì mức cân bằng dịch chuyển theo chiều làm tăng số mol khí. Trong các phản ứng mà tổng số mol khí 2 vế phương trình bằng nhau thì thì việc thay đổi áp suất không làm chuyển dịch cân bằng. TD : các phản ứng : H2 (k) + I2 (k) D 2HI(k) CO (k) + H2O (k) D CO2 (k) + H2 (k) - Chất xúc tác không gây ra sự chuyển dịch cân bằng trong phản ứng thuận nghịch, mà chỉ làm cho phản ứng nhanh đạt đến trạng thái cân bằng. Bài tập TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG – CÂN BẰNG HÓA HỌC 1 Cho phản ứng : H2(k) + I2 (k) D 2HI (k) a/ Viết biểu thức tốc độ của phản ứng biết rằng : Nếu tăng nồng độ hidro gấp đôi, giữ nguyên nồng độ iot thì tốc độ phản ứng cũng tăng gấp đôi. Nếu giữ nguyên nồng độ hidro và tăng nồng độ iot lên gấp 3 thì tốc độ phản ứng cũng tăng gấp 3. b/ Cho biết bậc của phản ứng và phân tử số của phản ứng. ĐS : a. v = k[H2][I2] b. bậc 2, lưỡng phân tử 2 Phản ứng phân hủy N2O ở nhiệt độ 1173 K có hằng số tốc độ k = 5.10-4 xảy ra theo phương trình : 2N2O (k) D 2N2 (k) + O2 (k) Nồng độ ban đầu của N2O là 3,2M. Xác định tốc độ phản ứng lúc đầu và khi có 25% N2O đã bị phân hủy. ĐS : v(đ) = 5,12.10-3 v1 = 2,88.10-3 3 Cho phản ứng sau : 2NO(k) + O2(k) D 2NO2(k) Tốc độ của phản ứng sẽ thay đổi như thế nào khi : a/ Tăng nồng độ oxi lên 4 lần. b/ Giảm nồng độ NO còn 1/3 so với ban đầu. c/ Nồng độ NO và O2 đều tăng lên 3 lần. d/ Giảm nồng độ NO2 2 lần. 4 Đo tốc độ đầu của sự giảm áp suất trong hệ phản ứng ở 7000C của phản ứng : 2NO (k) + 2H2 (k) D N2 (k) + 2H2O (k) thu được kết quả sau : Ap suất đầu (atm) NO Ap suất đầu (atm) H2 Tốc độ đầu (atm.ph-1) 0,5 0,2 4,8.10-3 0,5 0,1 2,4.10-3 0,25 0,2 1,2.10-3 Xác định bậc phản ứng và hằng số tốc độ ở 7000C ĐS : bậc 3 k = 0,096 atm-2ph-1 5 Xác định bậc của phản ứng nhiệt phân : B2H6 (k) D 2BH3 (k) ở 1000C dựa vào dữ kiện đo tốc độ tăng áp suất của hệ phụ thuộc nồng độ B2H6 [B2H6] (mol/l) Tốc độ tăng áp suất (mol.l-1.h-1) 2,153.10-2 7,4.10-4 0,433.10-2 0,73.10-4 ĐS : bậc 1,5 6 Sự phân hủy N2O5 xảy ra theo phản ứng : N2O5 (k) D N2O4 (k) + ½ O2 (k) có bậc động học bằng 1. Ở 250C hằng số tốc độ bằng 10-3 ph-1. Tại nhiệt độ này người ta đưa vào bình phản ứng khí N2O5 dưới áp suất P0 = 25.103 Pa. Hỏi sau 2 giờ phản ứng thì áp suất riêng phần mỗi khí trong hỗn hợp phản ứng là bao nhiêu ? ĐS PN2O5 = 22,42.103 Pa ; PN2O4 = 2,58.103 Pa ; PO2 = 1,29.103 Pa 7 Một bình phản ứng có dung tích 10 lít chứa 0,1 mol H2 và 0,1 mol I2 ở 698 K, biết hằng số cân bằng KC = 54,4. Tính nồng độ cân bằng của H2, I2 và HI ĐS : [H2] = [I2] = 0,00213 mol/l [HI] = 0,0157 mol/l 8 Cân bằng của phản ứng khử CO2 bằng C : C (r) + CO2 (k) D 2CO (k) xảy ra ở 1090 K với hằng số cân bằng KP = 10 a/ Tìm hàm lượng khí CO trong hỗn hợp khí cân bằng, biết áp suất chung của hệ là 1,5 atm b/