Bài giảng Hóa học đại cương - Chương 8: Động hóa học

Nội dung text: Bài giảng Hóa học đại cương - Chương 8: Động hóa học

1. LOGO CHƯƠNG 8: ĐỘNG HÓA HỌC PowerPoint Template 8.1 Vận tốc phản ứng Các yếu tố ảnh hưởng 8.2 đến vận tốc phản ứng www.themegallery.com Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 I wonder what happens if I mix these two solutions Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 WOW, that was It was also really FAST really FUN Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 1
2. I wonder if I should be wearing my 8.1 Vận tốc phản ứng goggles? 8.1.11 Khái niệm vận tốc phản ứng 1 8.1.2 Tốc độ trung bình và tốc độ tức thời 8.1.3 Phương pháp xác định tốc độ phản ứng Back Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.1.1 Khái niệm vận tốc phản ứng 8.1.2 Tốc độ trung bình và tốc độ tức thời
   Tốc độ của phản ứng hóa học là đại lượng aA + bB + = eE + fF + đặc trưng cho diễn biến nhanh hay chậm của một phản ứng hóa học. 1 ∆[A] 1 ∆[B] 1 ∆[E] 1 ∆[F] rate = − = − = = ∆ ∆ ∆ ∆
   a t b t e t f t Tốc độ của phản ứng hóa học là biến thiên nồng độ của một trong những chất tham
   gia phản ứng hoặc chất thành trong một Tốc độ trung bình của phản ứng : đơn vị thời gian. V = ± ∆C/∆t
   Tốc độ tức thời của phản ứng: Nồng độ sau – nồng độ trước ∆[C] ± V = = V = lim v ∆t→0 = dC/dt Thời gian sau – thời gian trước ∆ t Back Gv: Quach An Binh Back Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.1.3 Phương pháp xác định 8.1.3 Phương pháp xác định tốc độ phản ưng tốc độ phản ưng
   Ví dụ xét phản ứng phân hủy N2O5.  2N2O5 (k) 2N2O4 (k) + O2 (k) Gas - khi N2O5 phân hủy, N2O4 giữ lại trong dung buret dịch và O2 có thể thu được qua ống đong. Constant temperature bath Enter Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 2
3. 8.1.3 Phương pháp xác định 8.1.3 Phương pháp xác định tốc độ phản ưng tốc độ phản ưng 12 T(s) VO 2 VO2 (ml) 0 0 10 300 1.15 600 2.18 8 900 3.11 1200 3.95 6 1800 5.36 2400 6.50 4 3000 7.42 4200 8.75 2 5400 9.62 T(s) 6600 10.17 0 7800 10.53 0 2000 4000 6000 8000 Tốc độ c ủa oxi gi ảm cùng th ời gian Enter Kết qu ả thí nghi ệm Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.1.3 Phương pháp xác định 8.2 Các yếu tố ảnh hưởng tốc độ phản ưng đến vận tốc phản ứng
   Tốc độ trung bình: ∆ V (O )
   Tốc độ giải phóng O = 2 2 ∆ t 8.2.1 N ồng độ T(s) VO* 2 0 8.2.2 C ơ ch ế và 300 0.0038 bậc ph ản ứng 600 0.0034 Vận t ốc 900 0.0031 Ph ản ứng 1200 0.0028 8.2.3 Nhi ệt độ 1800 0.0024 2400 0.0019 8.2.4 Xúc tác 3000 0.0015 Click xem violip Back Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ 8.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ Định luật tác dụng khối lượng aA + bB = cC + dD Trong hệ đồng thể, ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với tích số nồng Tốc độ phản ứng V= k Cm .Cn . độ các chất phản ứng (kèm theo số mũ A B
   Trong đó: thích hợp)”. - k: hằng số tốc độ của phản ứng. Phương trình toán mô tả quan hệ của tốc độ - CA và CB: nồng độ mol/l của chất A và tức thời với nồng độ các chất phản ứng chất B tại thời điểm khảo sát. được gọi là phương trình tốc độ phản ứng - m, n: bậc phản ứng của chất A và B, bậc hay phương trình động học. phản ứng được xác định bằng thực nghiệm Enter Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 3
4. 8.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ 8.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ
   Đối với chất khí nồng độ được thay thế bằng áp suất riêng phần của chúng. V= k.P m .P n A B 1. Click xem violip - Với P và P là áp suất riêng phần của chất 2. Click xem violip A B A và B tại thời điểm khảo sát. 3. Click xem violip Enter 4. Click xem violip Back Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.2 Ảnh hưởng của cơ chế và bậc phản ứng 8.2.2 Ảnh hưởng của cơ chế và bậc phản ứng
   Bậc phản ứng là một đại lượng thực
   Phản ứng hóa học xảy ra phức tạp. nghiệm, nó là tổng số mũ các nồng độ
   Trải qua nhiều giai đọan trung gian trong phương trình động học. Bậc phản
   Giai đọan nào chậm nhất là giai đoạn ứng cho biết ảnh hưởng tổng quát của nồng độ lên vận tốc phản ứng. quyết định tốc độ phản ứng.
   Mỗi giai đoạn là một quá trình cơ bản. - phản ứng bậc không: m=n=0
   Tập hợp các quá trình cơ bản gọi là cơ chế - phản ứng bậc một m+n=1 phản ứng. - phản ứng bậc hai m+n=2 Ví dụ: 2+ 3+ - phản ứng bậc ba m+n=3. 4Fe + O2 = 4Fe + 2H2O Enter Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.2 Ảnh hưởng của cơ chế và bậc phản ứng 8.2.3 Ảnh hưởng của Nhiệt độ 2+ 3+ 4Fe + O 2 = 4Fe + 2H 2O - Phản ứng đó trải qua các giai đoạn sau: 2+ → 3+ - 8.2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ Fe + O 2 Fe + O 2 - + → . O2 + H HO 2 2+ . → 3+ - Fe +HO 2 Fe + HO 2 8.2.3.2 Thuyết va chạm hoạt động - + → HO 2 + H H2O2 H O + Fe 2+ → Fe 3+ + OH - + O .H 2 2 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp Fe 2+ + O .H → Fe 3+ + OH - - + → OH + H H2O Back Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 4
5. 8.2.3.1 Ảnh hưởng của Nhiệt độ 8.2.3.1 Ảnh hưởng của Nhiệt độ
   − Đa số vận tốc của phản ứng hóa học đều v t2 t 1 tăng theo nhiệt độ. 2 = γ 10
   Ví dụ: v1 0 H2(k)+O 2(k)=H 2O ∆G 298=-54,635kcal/mol
   Trong đó: - Phản ứng trên ở 600 0C thì xảy ra rất nhanh  γ là hệ số nhi ệt độ .  - Theo Van’t Hoft: Hầu hết tốc độ của các V1 là tốc độ ph ản ứng ở nhi ệt độ t1.  V là tốc độ ph ản ứng ở nhi ệt độ t . phản ứng tăng theo nhiệt độ, cứ nhiệt độ 2 2 tăng 10 độ thì tốc độ tăng lên 2-4 lần. 1. Click xem violip Enter Back Enter Back 2. Click xem violip Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.1 Ảnh hưởng của Nhiệt độ 8.2.3.1 Ảnh hưởng của Nhiệt độ
   Năm 1889, Arrhenius người Thụy Điển đã
   Phương trình Arrhenius có thể viết dưới đưa ra phương trình thực nghiệm biểu dạng: -E diễn mối quan hệ hằng số vận tốc với a RT nhiệt độ. k = k 0 x e dlnk E a dlnk E =
   a dT RT 2 Lấy tích phân phương trình = từ
   Trong đó: dT RT 2 nhiệt độ T 1 đến T 2 ta được: - k: hằng số vận tốc phản ứng k -E 1 1 - R: hằng số khí T2 a ln = - [ ] - Ea: năng lượng hoạt hóa. kT1 R T2 T1 Enter Back Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.2 Thuyết va chạm hoạt động 8.2.3.2 Thuyết va chạm hoạt động
   Điều kiện để phản ứng hóa học xảy ra là
   Năng lượng dư mà các phân tử có được để các phân tử của chất tham gia phản ứng va chạm của chúng dẫn đến sự hình thành phải va chạm tương tác với nhau. chất mới gọi là năng lượng họat hóa
   Phải làm yếu hoặc làm đứt để tạo thành liên kết mới. (E a đơn vị kcal/mol; kj/mol).
   Xây dựng liên kết mới đòi hỏi phải tiêu tốn
   Năng lượng hoạt hóa là năng lượng cần một năng lượng nhất định. thiết để đưa các phân tử có năng lượng
   Vận tốc tỷ lệ thuận với số lần va chạm trung bình lên trạng thái hoạt động. hiệu quả. Enter Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 5
6. Giản đồ năng lượng của phản ứng Giản đồ năng lượng của phản ứng Th ế n ăng Cho th ấy s ự bi ến đổ i Năng l ượ ng trong giai Đoạn ph ản ứng Năng lượng Năng l ượ ng Thế năng hoạt hoá ∆H Ho ạt hóa thay đổi Thế năng Thế Tọa độ ph ản ứng Enter Back Enter Chiều quá trình Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp 8.2.3.2 Thuyết va chạm hoạt động (Thuyết phức chất hoạt động)
   Thời điểm va chạm của các phân tử hoạt động, các mối liên kết cũ bị yếu đi (chưa 1. Click xem violip phá vỡ) liên kết mới hình thành trạng thái 2. Click xem violip trung gian gọi là trạng thái chuyển tiếp(không bền) có năng lượng dự trữ lớn. 3. Click xem violip
   Phức chất hoạt động tồn tại trong một thời gian ngắn. 4. Click xem violip
   Khi phân hủy thành sản phẩm kèm theo giải 5. Click xem violip phóng năng lượng. Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp (Thuyết phức chất hoạt động) (Thuyết phức chất hoạt động)
   Năng lượng hoạt hóa là năng lượng tiêu
   Với: tốn để chuyển chất tham gia pư ở trạng thái căn bản thành phức hoạt động. - EH-H:năng lượng liên kết của H2=104kcal/mol
   Để thấy rõ quan hệ giữa chất đầu, trạng - EI-I:năng lượng liên kết của I2=36kcal/mol thái chuyển tiếp, sản phẩm. Người ta dùng - EH-I:năng lượng liên kết của HI=72kcal/mol đồ thị phản ứng. t - Ea : năng lượng hoạt hóa của phản ứng H2 + I 2 = 2HI thuận= 40kcal/mol. n H - H H H H H - Ea :năng lượng hoạt hóa của phản ứng nghịch= 44kcal/mol. I - I I . I I I Enter Ph ức ch ất ho ạt độ ng H2I2 Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 6
7. 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp (Thuyết phức chất hoạt động) (Thuyết phức chất hoạt động)
   Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nếu tiến
   Năng lượng họat hóa càng nhỏ thì có hành bằng cách làm đứt các liên kết của nhiều phân tử có thể trở thành phân tử H2 và I2 là: hoạt động, vận tốc pư càng lớn. ∆H = ∑E lktc +∑E lksp =(E H-H + EI-I)- 2EHI = (104+36) – 2.72 = -4 kcal/mol
   Phản ứng có năng lượng hoạt hóa từ 10-
   Năng lượng hoạt hóa trong trường hợp 30kcal/mol tiến hành với vận tốc đo được. này là:
   Phản ứng có năng lượng hoạt hóa lớn hơn t Ea = EH-H + EI-I = 104+36 = 140 kcal/mol 30kcal/mol ở nhiệt độ thường xảy ra rất E n= 2E = 2.72 = 144 kcal/mol a H-I chậm. Enter Back Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.4 Ảnh hưởng của xúc tác 8.2.4.1 Khái niệm chất xúc tác
   Khái niệm: ệ ấ 8.2.4.1 Khái ni m ch t xúc tác Chất xúc tác là chất tham gia vào một giai 8.2.4.2 Phân lo ại ch ất xúc tác đoạn của phản ứng và làm tăng tốc độ của phản ứng, sau đó được phục hồi và tách ra 8.2.4.3 Tính ch ất c ủa xúc tác khỏi sản phẩm của phản ứng mà không bị 8.2.4.4 C ơ ch ế c ủa xúc tác biến đổi cả về tính chất hoá học cũng như về lượng. Back Click xem violip Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.4.2 Phân loại chất xúc tác Xúc tác đồng thể Đồng thể - Xúc tác đồ ng th ể: có cùng pha với ch ất 1 tham gia ph ản ứng (dung dịch axit, baz ơ, mu ối của kim lo ại chuy ển ti ếp ) - Ví dụ: Nhi ệt phân dietyl ete ở pha khí với xúc tác đồ ng th ể là hơi iot: Xúc tác → C2H5OC 2H5 + I2 CH 3CH 2I + HI + CH 3CHO → 2 3 CH 3CH 2I + HI CH 3CH 3 + I2 → CH 3CHO CH 4 + CO Enzym Dị thể Back Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 7
8. Xúc tác d ị th ể Xúc tác enzym
   Xúc tác dị th ể: không cùng pha với ch ất - Các quá trình sinh hóa đượ c xúc tác bởi tham gia ph ản ứng, ph ản ứng hoá học một lo ại ch ất đặ c bi ệt là các men (enzym), xảy ra trên bề mặt ch ất xúc tác. chúng bi ểu lộ gi ống xúc tác dị th ể và đượ c 2C H OH → CH =CH-CH=CH + H + 2H 0 2 5 2 2 2 2 gọi là xúc tác vi dị th ể. - Với xúc tác ZnO, Al 2O3, MgO. Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Xúc tác enzym 8.2.4.3 Tính chất của xúc tác
   Xúc tác enzyme
   Chất xúc tác chỉ làm tăng vận tốc phản Xem violip k 1 k2 ứng có ∆G 0 bất kỳ xúc tác nào cũng không diễn ra được.
   Xúc tác làm năng lượng hoạt hóa giảm.
   Xúc tác không làm thay đổi cân bằng nhưng làm cân bằng đạt nhanh hơn. k1 k2
   Xúc tác có tính chọn lọc. E + S  ES ES → E + P k-1 Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.4.3 Tính chất của xúc tác 8.2.4.4 Cơ chế của xúc tác
   Ví dụ: Rượu etylic với xúc tác khác nhau cho sản phẩm khác nhau: Cơ ch ế - Xúc tác Cu ở 200 đến 250 0C cho sản phẩm andehit. 0 - Xúc tác Al 2O3 ở 300 đến 360 C cho sản phẩm etylen. Xúc tác Xúc tác 0 - Xúc tác ZnO + Cr 2O3 ở 400 đến 500 C cho trong trong sản phẩm butadien. ph ản ứng ph ản ứng 0 đồ ng th ể - Xúc tác H2SO 4 đặc ở 140 C cho sản phẩm dị th ể dietyl eter. Back Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8
9. Cơ ch ế c ủa xúc tác trong Cơ chế của xúc tác trong ph ản ứng đồ ng th ể phản ứng đồng thể
   
   Phản ứng đồng thể tác dụng chủ yếu của Giả sử ta có: A + B → AB xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa của Phản ứng không có xúc tác: phản ứng bằng cách thay đổi cơ chế phản → → A + B A B AB E1 (1) ứng từ đó làm tăng vận tốc. Phản ứng có xúc tác X, có 2 giai đoạn: A + X → AX E (2)
   Cơ chế tác dụng của xúc tác được giải 2 → → AX + B AX B AB E3 (3) thích bằng thuyết trạng thái chuyển tiếp. Phản ứng (2) và (3) xảy ra dễ dàng hơn và nhanh hơn phản ứng (1). Enter Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 O O O.O Không xúc tác c ần nl Nl ho ạt hoá khi ho ạt hóa là Cl O O.O 17kj pư không có XT Có xúc tác nl O + O 3 (+Cl) hh còn 2.1kj Ph ản ứng cóxúc tác Cl O O Ph ản ứng không ClO + O 2 (+O) cóxúc tác 0.4 kj Nl ho ạt hoá khi pư có XT ng ă Nl gi ải phóng n ế của p ư thu ận Th Enter Back Enter Back Quá trình pư O2 + O 2 (+Cl) Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Cơ ch ế c ủa xúc tác trong Cơ chế của xúc tác trong ph ản ứng đồ ng th ể phản ứng dị thể
   Phản ứng dị thể thì cơ chế hoạt động của xúc tác phức tạp hơn rất nhiều. 1. Click xem violip
   Cho chất xúc tác phân bố lên chất 2. Click xem violip mang.
   3. Click xem violip Phản ứng xảy ra ở các trung tâm hoạt động trên bề mặt chất xúc tác.
   Quá trình xúc tác dị thể gồm 5 giai đoạn: Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Click xem violip Thang 8-2009 9
10. Cơ chế của xúc tác trong Cơ chế của xúc tác trong phản ứng dị thể phản ứng dị thể
    Quá trình xúc tác dị thể gồm 5 giai Quá trình xúc tác d ị th ể g ồm 5 giai đoạn đoạn: - Chuyển chất đến bề mặt phân chia pha. - Hấp phụ chất phản ứng. - Phản ứng hóa học diễn ra trên bề mặt. - Giải hấp phụ các sản phẩm. Giai đoạn 1: Giai đoạn 2: Giai đoạn 3: Giai đoạn4,5: Chuy ển ch ất Hấp ph ụ Ph ản ứng Gi ải h ấp - Chuyển sản phẩm ra khỏi bề mặt xúc đế n b ề m ặt ch ất ph ản hóa h ọc và chuy ển tác. phân chia ứng sản ph ẩm pha ra b ề m ặt Enter Back Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Cơ chế của xúc tác trong LOGO phản ứng dị thể 1 Click xem violip 2 Click xem violip 3 Click xem violip 4 Click xem violip 5 Click xem violip Enter Back www.themegallery.com Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 10