Giáo trình Cơ sở lý thuyết hóa học - Chương 7: Động hoá học

Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hóa học TS. Nguyễn Ngọc Thịnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: thinhbk@gmail.com CHƯƠNG VII: ĐỘNG HOÁ HỌC Nhiệt động hoá học nghiên cứu ở phần trước chỉ mới cho phép xét đoán chiều hướng tự diễn biến của một phản ứng hoá học và chỉ khảo sát hệ ở trạng thái cân bằng, nên không hề cho biết một tín hiệu nào về tốc độ, nghĩa là sự biến đổi các tham số của hệ theo thời gian. Ví dụ: Phản ứng giữa H2(K) + 1/2 O2(K) = H2O(l) có Go298 = -237,2 kJ/mol, Go298 của phản ứng rất âm, có nghĩa là về mặt nhiệt động học phản ứng có thể xảy ra một cách hoàn toàn ở T= 298K và P = 1atm (K= 1041), song thực tế cho thấy phản ứng đó hầu như không xảy ra ở điều kiện đã cho, bởi vì tốc độ của phản ứng cực kỳ nhỏ, do đó ở điều kiện thường người ta tưởng phản ứng này không xảy ra. Động hoá học là môn khoa học nghiên cứu về tốc độ và cơ chế của các quá trình hoá học. I.KHÁI NIỆM VỀ VẬN TỐC PHẢN ỨNG 1. Định nghĩa vận tốc phản ứng Vận tốc trung bình của phản ứng: được đo bằng biến thiên nồng độ của một trong các chất tham gia phản ứng hay tạo thành sau phản ứng trong một đơn vị thời gian. Xét phản ứng: aA + bB  cC + dD Giả sử ở thời điểm t1 nồng độ của các chất là CA1, CB1, CC1, CD1, ở thời điểm t2 thì nồng độ tương ứng là CA2, CB2, CC2, CD2. Khi đó vận tốc trung bình của phản ứng là: 12 AA tbA, tt CC V 12   , 12 BB tbB, tt CC V 12   , 12 CC tbC, tt CC V 12   , 12 DD tbD, tt CC V 12   ∆t ∆C Vtb  (+)- ứng với chất khảo sát là sản phẩm (-) - ứng với chất khảo sát là chất tham gia Vận tốc tức thời của phản ứng: limV 0  t dt dC t C Δ Δ Để vận tốc của 1 phản ứng là đơn trị: dt dC a 1 V A = dt dC b 1 B = dt dC c 1 C = dt dC d 1 D 2.Các yếu tố ảnh hưởng lên vận tốc - Nồng độ các chất. - Nhiệt độ Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hóa học TS. Nguyễn Ngọc Thịnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: thinhbk@gmail.com - Chất xúc tác. II. THUYẾT VA CHẠM HOẠT ĐỘNG 1.Nội dung: Giả sử xét phản ứng A(K) + B(K)  AB(K). Để phản ứng xảy ra thì A và B phải va chạm với nhau. Có 2 loại va chạm: + Va chạm gây phản ứng: gọi là va chạm có hiệu quả(số va chạm này nhỏ). + Va chạm không gây phản ứng: gọi là va chạm không hiệu quả(số va chạm này lớn). Để gây va chạm có hiệu quả => các phần tử phải có năng lượng lớn hơn năng lượng trung bình của hệ => gọi là các phần tử hoạt động => vận tốc phản ứng tỉ lệ với tần số va chạm giữa các phần tử hoạt động. 2.Phân bố Boltzman: Có khí lý tưởng A với tổng số mol là N, trong đó có số phần tử hoạt động là N* thì: RT EA e N N  * => Biểu thức định luật phân bố Boltzman. Trong đó: EA- được gọi là năng lượng hoạt hoá, đơn vị J.mol-1 R - là hằng số khí lý tưởng, R = 8,314 J.K-1.mol-1 III. ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ CÁC CHẤT THAM GIA PHẢN ỨNG ĐẾN VẬN TỐC VÀ ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG. 1. Định luật tác dụng khối lượng a. Đối với hệ đồng thể (Các chất phản ứng ở cùng 1 pha). * Định luật: Vận tốc phản ứng tỉ lệ thuận với tích nồng độ các chất tham gia phản ứng (với số mũ thích hợp). Ví dụ: aA +bB -> cC (1) => v =k[A]n[B]m => gọi là phương trình động học của phản ứng. trong đó [A], [B]: Nồng độ mol/l của A, B ở thời điểm xét. v : Vận tốc tức thời ở thời điểm xét. n,m: Bậc phản ứng đối với chất A, B -> Xác định bằng thực nghiệm. (n+m): Bậc chung của phản ứng. k: Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào bản chất của chất tham gia và nhiệtđộ. Với 1 phản ứng cụ thể ở T =const -> k=const-> gọi là hằng số vận tốc. Khi [A]=[B]=1mol/l-> v=k -> gọi là v riêng của phản ứng. b.Đối với phản ứng dị thể: Nếu phản ứng có chất rắn tham gia -> coi nồng độ chất rắn = const và đưa vào hằng số vận tốc => chất rắn không có mặt trong phương trình động học của phản ứng. Ví dụ 1: C(gr) + O2(K)  CO2(K) Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hóa học TS. Nguyễn Ngọc Thịnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: thinhbk@gmail.com v = nOk ][]Ok'.const.[ n2 2 C. Giải thích: Khi nồng độ tăng thì vận tốc tăng: Theo thuyết va chạm họat động: Khi nồng độ các chất tham gia phản ứng tăng thì số phần tử hoạt động có trong 1 đơn vị thể tích tăng -> dẫn đến số va chạm có hiệu quả tăng -> vận tốc tăng. 2.Bậc phản ứng: * Bậc phản ứng được xác định bằng tổng số mũ trong phương trình động học (m+n). Bậc phản ứng có thể nguyên, hoặc là số thập phân hoặc bằng 0. - Nếu (m+n)=1: phản ứng bậc 1. - Nếu (m+n)=2: phản ứng bậc 2. - Nếu (m+n)=3: phản ứng bậc 3. * Cách xác định bậc phản ứng: - Xác định theo từng chất rồi cộng lại: Dùng phương pháp cô lập: Coi nồng độ các chất # bằng const ( chỉ có nồng độ chất khảo sát bậc thay đổi theo thời gian) bằng cách cho nồng độ các chất đó lớn hơn rất nhiều nồng độ chất xét. Một phản ứng hóa học là phản ứng tổng cộng của nhiều giai đoạn trung gian. Mỗi giai đoạn trung gian gọi là 1 giai đoạn sơ cấp. Vận tốc của giai đoạn sơ cấp nào chậm chất sẽ quyết định vận tốc của cả phản ứng. Số phân tử tham gia vào 1 giai đoạn sơ cấp gọi là phân tử số của giai đoạn sơ cấp đó. Phân tử số của giai đoạn sơ cấp chậm nhất xác định bậc chung của phản ứng. VD: 2HI + H2O2 = 2H2O + I2 (a) V=k[H2O2]n[HI]m Phản ứng (a) xảy ra theo theo 2 giai đoạn sơ cấp: HI + H2O2 -> HIO + H2O (1) xảy ra chậm HIO + HI -> I2 + H2O (2) xảy ra nhanh.  giai đoạn (1) quyết định bậc phản ứng -> phân tử số của (1) quyết định bậc của phản ứng (a).  Phương trình động học của (a) cũng là của (1): v= k[H2O2][HI]  Phân tử số của (1) và (2) đều là 1+1=2.  Bậc của pứ (a) là 1+1=2. * Chú ý: nếu phản ứng đơn giản chỉ xảy ra theo 1 giai đoạn thì n=a, m=b (a, b là các hệ số tỉ lượng trong phương trình phản ứng) => Bậc phản ứng (m+n) =(b+a). IV. ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ LÊN VẬN TỐC PHẢN ỨNG 1.Quy tắc Van’t Hoff Bằng thực nghiệm Van’t Hoff cho thấy rằng nhiệt độ cứ tăng thêm 10oC thì vận tốc của phản ứng tăng lên  lần,  trong khoảng từ 2- 4. Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hóa học TS. Nguyễn Ngọc Thịnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: thinhbk@gmail.com  t 10t V V - là hệ số nhiệt độ cho biết vận tốc tăng lên bao nhiêu lần khi nhiệt độ tăng thêm 10oC. Tổng quát: Ở nhiệt độ t1 vận tốc của phản ứng là v1, ở nhiệt độ t2 vận tốc của phản ứng là v2, ta có: 1 10 tt 2 VV 12    là biểu thức toán học của quy tắc Van’t Hoff - Quy tắc Van’t Hoff chỉ gần đúng trong khoảng nhiệt không cao lắm. 2. Phương trình Arrhenius: βln T A lnk  => T A .ek β Trong đó: A và  là những hằng số đặc trưng cho phản ứng xác định bằng thực nghiệm. * Theo đồ thị lnk- 1/A với tg = A * Dựa vào giá trị K ở hai nhiệt độ khác nhau:           121 2 1 1 2 2 T 1 T 1 A K K ln lnβ T A lnK lnβ T A lnK * Giải thích ảnh hưởng của nhiệt độ tới v theo thuyết va chạm: Khi nhiệt độ thay đổi -> có sự phân bố lại năng lượng trong hệ-> số phân tử hoạt động thay đổi -> v thay đổi. Cụ thể: khi nhiệt độ tăng vận tốc tăng do: chuyển động nhiệt của các phân tử tăng lên  tần số va chạm của các chất tham gia tăng và khi nhiệt độ cao thì các phân tử kém bền  dễ phản ứng với nhau. * Ý nghĩa của A trong phương trình Arrhenius Xét phản ứng: A(k) + B(k) -> AB(k) có bậc đối với A và B đều bằng 1. Phương trình động học: =kCA.CB (a) RT E ii i eCC * (Ci mol/l cña ph©n tö häat ®éng i). Theo thuyÕt va ch¹m ho¹t ®éng v chØ phô thuéc vμo Ci* => RT E B RT E ABA AAi eCeCCCv   ** víi  lμ hÖ sè tû lÖ. => RT EE BA BA eCCv )(   . Đặt EA + EB = Ea gọi là năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Ea là năng lượng cần thiết để đưa một mol các chất tham gia phản ứng có năng lượng trung bình trở thành hoạt động. => RT E BA a eCCv   (b) Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hóa học TS. Nguyễn Ngọc Thịnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: thinhbk@gmail.com => So s¸nh (a) vμ (b), cã: RTEaek   => βln RT E lnk a  => βln T A lnk   A=-Ea/R * Ý nghĩa của Ea: Để hiểu rõ ý nghĩa của Ea ta xét giản đồ năng lượng của phản ứng: I2(K) + H2(K) ⇆ 2HI(K) Các chất tham gia có năng lượng ứng với mức I, muốn phản ứng được với nhau phải vượt qua hàng rào thế năng có độ cao là K. Hiệu giữa mức năng lượng K và I chính là năng lượng hoạt hoá của phản ứng thuận Ea. Hiệu giữa mức năng lượng K và II là năng lượng của phản ứng nghịch. Hiệu giữa mức I và II được gọi là hiệu ứng nhiệt của phản ứng thuận. Vậy năng lượng hoạt hoá Ea: Chính là hàng rào thế năng mà các chất tham gia phải vượt qua để hình thành các sản phẩm phản ứng. Như vậy, nếu các liên kết trong các chất tham gia càng bền thì năng lượng hoạt hoá của phản ứng càng lớn. V.ẢNH HƯỞNG CỦA XÚC TÁC LÊN VẬN TỐC PHẢN ỨNG 1. Định nghĩa: Chất xúc tác là chất làm tăng vận tốc phản ứng, nhưng nó không bị biến đổi và tiêu tốn do phản ứng xảy ra. Nếu chất xúc tác và các chất tham gia phản ứng ở trong cùng một pha thì được gọi là xúc tác đồng thể. VÝ dô: 2SO2(K) + O2(K) ⇆ 2SO3(K) Nếu chất xúc tác khác pha với các chất tham gia phản ứng thì có xúc tác dị thể. V2O5(r) VÝ dô: 2SO2(K) + O2(K) ⇆ 2SO3(K) Xúc tác men đóng vai trò quan trọng đối với quá trình quá trình trao đổi chất: Phần lớn các phản ứng sinh hoá xảy ra trong cơ thể đều dưới tác dụng của các enzim 2. Đặc điểm của xúc tác: I H2+I2 Ea K H2I2 2HI II Ea’ H=Ea-Ea’ E TiÕn tr×nh ph¶n øng NO Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hóa học TS. Nguyễn Ngọc Thịnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: thinhbk@gmail.com - Có tính chọn lọc cao: Một xúc tác chỉ có thể có tác dụng đối với một phản ứng hay một loại phản ứng (cho ví dụ) - Chất xúc tác có tác dụng làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng - Chất xúc tác làm xúc tác cho phản ứng thuận thì cũng làm xúc tác cho phản ứng nghịch, nên chất xúc tác làm cho phản ứng nhanh chóng đạt tới trạng thái cân bằng, chứ không làm chuyển dịch cân bằng vì nó làm tăng tốc độ phản ứng thuận và phản ứng nghịch với số lần bằng nhau - Đối với xúc tác đồng thể: tác dụng của xúc tác tỷ lệ với nồng độ của chất xúc tác 3. Giải thích cơ chế của xúc tác a. Đối với xúc tác đồng thể: Cơ chế của xúc tác đồng thể được giải thích bằng lý thuyết hợp chất trung gian. Xét phản ứng: A + B  AB xảy ra rất chậm và có năng lượng hoạt hoá Ea rất cao, khi thêm chất xúc tác X tốc độ của phản ứng tăng lên, cơ chế của phản ứng như sau: gồm hai giai đoạn A + X  AX (hợp chất trung gian) - giai đoạn này phản ứng xảy ra rất nhanh (có năng lượng hoạt hoá thấp) AX + B  AB + X - giai đoạn này xảy ra rất nhanh, có năng lượng hoạt hoá thấp Như vậy chất xúc tác có tác dụng đưa phản ứng phải vượt qua một rào thế năng cao thành phản ứng trải qua hai giai đoạn với rào thế năng thấp hơn. Gọi k1, 1, Ea - là hằng số tốc độ phản ứng, vận tốc và năng lượng hoạt hoá của phản ứng khi chưa có xúc tác k2, v2, Ea* - khi có xúc tác Ta có: lnk1 = βln RT Ea  lnk2 = lnβ RT *Ea  I A+B Ea K AX AB II E TiÕn tr×nh ph¶n øng Ea1 Ea2 Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hóa học TS. Nguyễn Ngọc Thịnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: thinhbk@gmail.com   RT *EE k k ln aa 1 2   RT *EE 1 2 1 2 aa e k k v v  S ố lần vận tốc tăng lên khi có xúc tác b. Đối với xúc tác dị thể Cơ chế của một phản ứng xúc tác dị thể rất phức tạp, cho đến nay chưa có một thuyết duy nhất về xúc tác dị thể. Một phản ứng xúc tác dị thể xảy ra gồm nhiều giai đoạn vật lý và hoá học nối tiếp nhau - Giai đoạn đầu: Xảy ra sự hấp phụ của các chất tham gia lên các tâm hoạt tính của chất xúc tác - Giai đoạn 2: Dưới tác dụng của các lực hoá học trên bề mặt xúc tác tạo ra các hợp chất bề mặt, dẫn tới thực hiện phản ứng trên bề mặt xúc tác VI. CÁC PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG HÓA HỌC Các phương trình động học mô tả mối quan hệ định lượng giữa nồng độ của các chất phản ứng và thời gian trong các phản ứng bậc khác nhau. 1. Phản ứng bậc một Phương trình phản ứng bậc 1 có dạng: A -> sản phẩm. Phương trình động học vi phân của phản ứng được biểu diễn bằng: ][ ][ Ak dt Ad v  hay kdt A Ad  ][ ][ Lấy tích phân phương trình này sẽ thu được: kt A A  0][ ][ ln ở đây nồng độ [A]0 là nồng độ ban đầu của A, [A] là nồng độ của nó ở thời điểm t. Phản ứng bậc 1 thường là phản ứng phân hủy của các chất. Ví dụ: C2H6  C2H4 + H2 Các phản ứng phân hủy phóng xạ cũng được xem là các phản ứng bậc một. Ví dụ: HeRaTh 42 228 88 232 90  Khi nghiên cứu các phản ứng bậc 1 người ta thường chú ý đến một đại lượng là thời gian nửa phản ứng ( còn gọi là chu kỳ bán hủy đối với phản ứng phân hủy phóng xạ), kí hiệu là t1/2, là thời gian mà một nửa lượng ban đầu của chất phản ứng đã bị tiêu thụ. áp dụng phương trình động học của phản ứng bậc 1 và ở t1/2 có [A] = 2 1 [A] 0, ta có: 21 0 02 1 /][ ][ ln kt A A  => 212 /ln kt hay kkt 69302 21 ,ln /  Điều đó có nghĩa là thời gian nửa phản ứng của một phản ứng đã cho nào đó là một hằng số đặc trưng cho phản ứng đó. (ở một nhiệt độ xác định). Bài giảng môn Cơ sở lý thuyết Hóa học TS. Nguyễn Ngọc Thịnh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: thinhbk@gmail.com Chu kì bán hủy là một hằng số vật lý quan trọng của các chất phóng xạ. Nó có thể dao động trong một khoảng rộng từ hàng triệu năm đến mấy trăm năm. Ví dụ: 14C (phóng xạ bêta) t1/2 =5,7.103 năm. 8He (phóng xạ bêta) t1/2 = 1,2 giây. Một ứng dụng thực tế quan trọng của đại lượng chu kì bán hủy là xác định niên đại của các vật cổ và tuổi của các khoáng vật. Công việc này ngày nay chủ yếu dựa trên phương pháp đo cường độ phóng xạ 14C.. 2. Các phản ứng bậc hai Dạng tổng quát của phản ứng bậc 2 là: A+ B -> sản phẩm Phương trình động học vi phân của phản ứng được biểu diễn bằng: ]][[ ][][ BAk dt Bd dt Ad  ở đây chúng ta xét trường hợp đơn giản nhất đó là nồng độ ban đầu của A và B bằng nhau. Vì vậy có thể viết: 2][ ][ Ak dt Ad  hay dtk A Ad  2][ ][ . LÊy tÝch ph©n 2 vÕ dtk A Ad   2][ ][ => constkt A  ][ 1 khi t =0 th× const A  0 1 ][ . Tõ ®ã: kt AA  0 11 ][][  ) ][][ ( 0 111 AAt k  Gọi t1/2 là thời gian nửa phản ứng. Thay vào phương trình trên ta được: 0 21 1 ][/ Ak t  TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Mậu Quyền, Cơ sở lý thuyết hóa học (phần bài tập), NXBKHKT, 2010. 2. Nguyễn Hạnh, Cơ sở lý thuyết hóa học phần II, NXB Giáo dục, 2006