Chương 7. Tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học. Bài 49. Tốc độ phản ứng hóa học

I - KHÁI NIỆM VỀ TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HÓA HỌC

1. Thí nghiệm

Chuẩn bị ba dung dịch  BaCl₂, Na₂S₂O₃  và  H₂SO₄  có cùng nồng độ là  0,1mol/l  để thực hiện hai phản ứng sau:

                    BaCl₂ + H₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2HCl(1)

                    Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ → S↓ + SO₂ + H₂O + Na₂SO₄(2)

a) Đổ  25ml  dung dịch  H₂SO₄  vào cốc khác đựng  25ml  dung dịch  Na₂S₂O₃, một lát sau mới thấy màu trắng đục của  S  xuất hiện.

Từ hai thí nghiệm trên ta thấy rằng, phản ứng  (1)  xảy ra nhanh hơn phản ứng  (2).

Nói chung, các phản ứng hóa học khác nhau xảy ra nhanh, chậm rất khác nhau. Để đánh giá mức độ xảy ra nhanh hay chậm của các phản ứng, người ta đưa ra khái niệm tốc độ phản ứng hóa học, gọi tắt là tốc độ phản ứng.

2. Tốc độ phản ứng

Mọi phản ứng hóa học đều có thể biểu diễn bằng phương trình tổng quát sau:

Các chất phản ứng  → Các sản phẩm

Trong quá trình diễn biến của phản ứng, nồng độ các chất phản ứng giảm dần, đồng thời nồng độ các sản phẩm tăng dần. Phản ứng xảy ra càng nhanh thì trong một đơn vị thời gian nồng độ các chất phản ứng giảm và nồng độ các sản phẩm tăng càng nhiều. Như vậy, có thể dùng độ biến thiên nồng độ theo thời gian của một chất bất kì trong phản ứng làm thước đo tốc độ phản ứng.

Tốc độ phản ứng là độ biến thiên nồng độ của một trong các chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian.

Nồng độ thường được tính bằng  mol/l, còn đơn vị thời gian có thể là giây  (s), phút  (ph), giờ  (h),...

Tốc độ phản ứng được xác định bằng thực nghiệm.

3. Tốc độ trung bình của phản ứng

Xét phản ứng:  A→B

Ở thời điểm  t1, nồng độ chất  A  (chất phản ứng)  là  C1mol/l. Ở thời điểm  t2, nồng độ chất  A  là  C2mol/l(C2<C1  vì trong quá trình diễn ra phản ứng nồng độ chất  A  giảm dần)

Tốc độ của phản ứng tính theo chất  A  trong khoảng thời gian từ  t1  đến  t2  được xác định như sau:

                    v¯ = +C1−C2 / t2−t1=−C2−C1/ t2−t1=−ΔC / Δt

Nếu tốc độ được tính theo sản phẩm  B  thì:

Ở thời điểm  t1, nồng độ chất  B  là  C1mol/l. Ở thời điểm  t₂  nồng độ chất  B  là  C₂mol/l(C2>C1  vì nồng độ chất  B  tăng theo thời gian xảy ra phản ứng). Ta có:

                    v¯ = + C2−C1/ t2−t1=+ΔC/ Δt

Trong đó,  v¯  là tốc độ trung bình của phản ứng trong khoảng thời gian từ  t1  đến  t2.

Thí dụ, xét phản ứng sau xảy ra trong dung dịch  CCl4  ở  45^oC:

                    N₂O₅→N₂O₄+1/2 O₂(3)

Bằng cách đo thể tích oxi thoát ra, ta có thể tính được nồng độ  N₂O₅  ở từng thời điểm diễn biến của phản ứng.

Ta thấy tốc độ trung bình của phản ứng giảm dần theo thời gian, ứng với sự giảm dần của nồng độ chất phản ứng  N₂O₅, do đó người ta thường xác định tốc độ ở từng  thời điểm, được gọi là tốc độ tức thời  (v) .

Ghi chú: Hệ số tỉ lượng các chất trong phương trình hóa học của một phản ứng thường khác nhau, do đó để quy tốc độ của một phản ứng về cùng một giá trị, trong công thức tính tốc độ phản ứng cần chia thêm cho hệ số tỉ lượng của chất được lấy để tính tốc độ. Chẳng hạn, đối với phản ứng  (3)  đã đưa ra ở trên, công thức tính tốc độ trung bình theo oxi như sau:  v¯=+ΔC/0,5Δt

Thí dụ, sau  184  giây đầu tiên, nồng độ oxi tạo thành theo phản ứng  (3)  bằng một nửa nồng độ  N2O5  đã phản ứng, nghĩa là bằng  0,25/2=0,125mol/l  

Tốc độ trung bình của phản ứng trong khoảng  184  giây đầu tiên tính theo oxi là:

                    v¯=+0,125/0,5×184=1,36.10⁻³mol/(l.s)

II - CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

1. Ảnh hưởng của nồng độ

Thí nghiệm 1: Thực hiện phản ứng  (2)  với các nồng độ  Na₂S₂O₃  khác nhau.

Chuẩn bị hai cốc sau: Cốc  (a)  đựng  25ml  dung dịch  Na₂S₂O₃ 0,1M, cốc  (b)  đựng  10ml  dung dịch  Na₂S₂O₃ 0,1M, thêm vào cốc  (b)15ml  nước cất để pha loãng dung dịch.

Đổ đồng thời vào mỗi cốc  25ml  dung dịch  H₂SO₄ 0,1M. Dùng đũa thủy tinh khuấy nhẹ dung dịch trong cả hai cốc.

So sánh thời gian cùng xuất hiện màu trắng đục của lưu huỳnh trong hai cốc, ta thấy lưu huỳnh xuất hiện trong cốc  (a)  sớm hơn, nghĩa là tốc độ phản ứng trong cốc  (a)  lớn hơn.

Giải thích: Điều kiện để các chất phản ứng với nhau  (thí dụ  Na₂S₂O₃  và  H₂SO₄)  là chúng phải va chạm vào nhau, tần số va chạm (số va chạm trong một đơn vị thời gian)  càng lớn thì tốc độ phản ứng càng lớn. Khi nồng độ các chất phản ứng tăng, tần số va chạm tăng, nên tốc độ phản ứng tăng. Tuy nhiên, không phải mọi va chạm đều gây ra phản ứng, chỉ có những va chạm có hiệu quả mới xảy ra phản ứng. Tỉ số giữa số va chạm có hiệu quả và số va chạm chung phụ thuộc vào bản chất của các chất phản ứng, nên các phản ứng khác nhau có tốc độ phản ứng không giống nhau.

Kết luận: Khi tăng nồng độ chất phản ứng, tốc độ phản ứng tăng.

2. Ảnh hưởng của áp suất

Áp suất ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng có chất khí. Khi áp suất tăng, nồng độ chất khí tăng theo, nên ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ phản ứng giống như ảnh hưởng của nồng độ.

Thí dụ, xét phản ứng sau được thực hiện ở nhiệt độ  302^oC:

                    2HI(k)→H₂(k)+I₂(k)

Khi áp suất của  HI  là  1atm, tốc độ phản ứng  đo được là  1,22.10−8mol/(l.s).

Khi áp suất của  HI  là  2atm, tốc độ phản ứng là  4,88.10−8mol/(l.s).

Kết luận: Đối với phản ứng có chất khí, khi tăng áp suất, tốc độ phản ứng tăng.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ

Thí nghiệm 2: Thực hiện phản ứng  (2)  ở hai nhiệt độ khác nhau.

Để thực hiện phản ứng trong cốc  (b), cần đun nóng trước hai dung dịch  Na₂S₂O₃ và  H2SO₄.  Phản ứng được thực hiện giống như ở thí nghiệm ảnh hưởng của nồng độ. Kết quả là lưu huỳnh xuất hiện trong cốc  (b)  sớm hơn, nghĩa là ở nhiệt độ cao tốc độ phản ứng lớn hơn ở nhiệt độ thấp.

Giải thích: Khi nhiệt độ phản ứng tăng dẫn đến hai hệ quả sau:

- Tốc độ chuyển động của các phân tử tăng, dẫn đến tần số va chạm giữa các phân tử chất phản ứng tăng.

- Tần số va chạm có hiệu quả giữa các phân tử chất phản ứng tăng nhanh. Đây là yếu tố chính làm cho tốc độ phản ứng tăng nhanh khi tăng nhiệt độ.

Kết luận: Khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng.

4. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt

Thí nghiệm 3: Cho hai mẫu đá vôi  CaCO₃  có khối lượng bằng nhau, trong đó một mẫu có kích thước hạt nhỏ hơn mẫu còn lại, cùng tác dụng với hai thể tích bằng nhau của dung dịch  HCl  dư cùng nồng độ.

Phản ứng xảy ra như sau:  CaCO₃+2HCl→CaCl₂+CO₂↑+H₂O

Ta thấy thời gian để  CaCO₃  phản ứng hết trong cốc  (b)  ít hơn trong cốc  (a).

Giải thích: Chất rắn với kích thước hạt nhỏ (đá vôi hạt nhỏ) có tổng diện tịch bề mặt tiếp xúc với chất phản ứng  (HCl)  lớn hơn so với chất rắn có kích thước hạt lớn hơn (đá vôi dạng khối) cùng khối lượng, nên có tốc độ phản ứng lớn hơn.

Kết luận: Khi tăng diện tích bề mặt chất phản ứng, tốc độ phản ứng tăng.

5. Ảnh hưởng của chất xúc tác

Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng còn lại sau khi phản ứng kết thúc.

Thí dụ,  H₂O₂  phân hủy chậm trong dung dịch ở nhiệt độ thường theo phản ứng sau:

                    2H₂O₂→2H₂O+O₂↑

Nếu cho vào dung dịch này một ít bột  MnO₂, bọt oxi sẽ thoát ra rất mạnh. Khi phản ứng kết thúc,  MnO₂  vẫn còn nguyên vẹn. Vậy  MnO₂  là chất xúc tác cho phản ứng phân hủy  H₂O₂.

Ngoài các yếu tố trên, môi trường xảy ra phản ứng, tốc độ khuấy trộn, tác dụng của các tia bức xạ,... cũng ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng.

III - Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng được vận dụng nhiều trong đời sống và sản xuất. Thí dụ, nhiệt độ của ngọn lửa axetilen cháy trong oxi cao hơn nhiều so với cháy trong không khí, tạo nhiệt độ hàn cao hơn. Nấu thực phẩm trong nồi áp suất chóng chín hơn so với nấu chúng ở áp suất thường. Các chất đốt rắn như than, củi có kích thước nhỏ sẽ cháy nhanh hơn. Để tăng tốc độ tổng hợp  HN3  từ  N2  và  H2 người ta phải dùng chất xúc tác, tăng nhiệt độ và thực hiện ở áp suất cao.