Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 19: Tốc độ phản ứng

Mở đầu

Câu hỏi mở đầu Giải Hóa 10 Kết nối tri thức Bài 19: Làm thế nào có thể so sánh sự nhanh, chậm của các phản ứng hóa học để thúc đẩy hoặc kìm hãm nó theo mong muốn?

Trả lời:

- Thời gian là đại lượng để xác định sự nhanh, chậm của các phản ứng hóa học. Để so sánh sự nhanh, chậm của các phản ứng hóa học, chúng ta có thể dựa vào tốc độ phản ứng hóa học. Tốc độ phản ứng được xác định bằng sự thay đổi lượng chất đầu hoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian: giây(s), phút (min), giờ (h), ngày(d),..

I. Tốc độ phản ứng hóa học

1. Khái niệm tốc độ phản ứng hóa học

Câu hỏi 1: Xét phản ứng: H₂+Cl₂→2HCl

Nghiên cứu sự thay đổi nồng độ một chất trong phản ứng theo thời gian, thu được đồ thị sau:

Trả lời:

a) Đồ thị mô tả sự thay đổi nồng độ theo thời gian của HCl.

b) Đơn vị của tốc độ phản ứng: mol/L.min

2. Tốc độ trung bình của phản ứng

Hoạt động mục 2: Phản ứng phân hủy H₂O₂:

H₂O₂ → H₂O +  $\frac{1}{2}$O₂

Kết quả thí nghiệm đo nồng độ H₂O₂­ tại các thời điểm khác nhau được trình bày trên Bảng 19.1.

Biến thiên nồng độ trong khoảng thời gian từ 0 giờ đến 3 giờ là:

0,707 – 1,000 = – 293 (mol/L)

(Dấu "–" thể hiện rằng nồng độ H₂O₂ giảm dần khi phản ứng xảy ra.)

Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 0 giờ đến 3 giờ được tính như sau:

$V_{tb}=-\frac{C_{H_{2}O_{2}(3h)}-C_{H_{2}O_{2}(0h)}}{3-0}=\frac{0,707-1,000}{3}=0,098(mol/(L.h))$

(Đặt dấu "–" trước biểu thức để tốc độ phản ứng có giá trị dương.)

Trả lời câu hỏi:

1. Hãy tính tốc độ phản ứng theo nồng độ H2O2 trong các khoảng thời gian từ:

a) 3 giờ đến 6 giờ;                         

b) 6 giờ đến 9 giờ      

c) 9 giờ đến 12 giờ.

2. Nhận xét về sự thay đổi tốc độ phản ứng theo thời gian.

Trả lời:

1. Hãy tính tốc độ phản ứng theo nồng độ H₂O₂ trong các khoảng thời gian

a) Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 3 giờ đến 6 giờ là:

$V_{tb}=-\frac{C_{H_{2}O_{2}(6h)}-C_{H_{2}O_{2}(3h)}}{6-3}=\frac{0,500-0,707}{3}=0,069(mol/(L.h))$

b) Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 6 giờ đến 9 giờ là:

$V_{tb}=-\frac{C_{H_{2}O_{2}(9h)}-C_{H_{2}O_{2}(6h)}}{9-6}=\frac{0,354-0,500}{3}=0,049(mol/(L.h))$

c) Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 9 giờ đến 12 giờ là:

$V_{tb}=-\frac{C_{H_{2}O_{2}(12h)}-C_{H_{2}O_{2}(9h)}}{12-9}=\frac{0,250-0,354}{3}=0,035(mol/(L.h))$

2. Nhận xét: Tốc độ phản ứng giảm dần theo thời gian.

Câu hỏi 2: Cho phản ứng của các chất ở thể khí

2NO + 2H₂  →   N₂ + 2H₂O

Hãy viết biểu thức tính tốc độ trung bình theo sự biến đổi nồng độ chất đầu và chất sản phẩm của phản ứng trên.

Trả lời:

Gọi ∆C_NO, ∆C_H2, ∆C_N2, ∆C_H2O lần lượt là biến thiên nồng độ các chất NO, H₂, N₂ và H₂O trong khoảng thời gian . Tốc độ trung bình của phản ứng được tính theo biểu thức:

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

1. Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng

Hoạt động mục 1: Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + S + SO₂ + H₂O

Chuẩn bị: Các dung dịch: Na₂S₂O₃ 0,05 M, Na₂S₂O₃ 0,10 M, Na₂S₂O₃ 0,30 M, H₂SO₄ 0,5 M; 3 bình tam giác, đồng hồ bấm giờ, tờ giấy trắng có kẻ chữ X.

Tiến hành:

- Cho vào mỗi bình tam giác 30 mL dung dịch Na₂S₂O₃ với các nồng độ tương ứng là 0,05 M; 0,10 M và 0,30 M. Đặt các bình lên tờ giấy trắng có kẻ sẵn chữ X.

- Rót nhanh vào mỗi bình 30 mL dung dịch H₂SO₄ 0,5 M và bắt đầu bấm giờ.

Lưu ý: Phản ứng có sinh ra khí độc. Cần tiến hành cẩn thận và tránh ngửi trực tiếp trên miệng bình tam giác.

Hình 19.3 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng

Quan sát vạch chữ X trên tờ giấy dưới đáy bình, ghi lại thời điểm không nhìn thấy vạch chữ X nữa và trả lời câu hỏi:

1. Phản ứng ở bình nào xảy ra nhanh nhất? Chậm nhất?

2. Nồng độ ảnh hưởng thế nào đến tốc độ phản ứng?

Trả lời:

1.

Phản ứng ở bình chứa dung dịch Na₂S₂O₃ có nồng độ 0,3M xảy ra nhanh nhất.

Phản ứng ở bình chứa dung dịch Na₂S₂O₃ có nồng độ 0,05M xảy ra chậm nhất.

2. Khi nồng độ các chất tham gia tăng, tốc độ phản ứng sẽ tăng.

Câu hỏi 3: Cho phản ứng của các chất ở thể khí: X + Y →  XY

Biết tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ các chất tham gia và phản ứng với số mũ là hệ số tỉ lượng của chất đó trong phương trình hóa học.

a) Hãy viết phương trình tốc độ của phản ứng này.

b) Ở một nhiệt độ xác định, hằng số tốc độ của phản ứng này là 2,5.10-4L/(mol.s).

Nồng độ đầu của X và Y lần lượt là 0,02 M và 0,03 M. Hãy tính tốc độ phản ứng:

- Tại thời điểm đầu.

- Tại thời điểm đã hết một nửa lượng X.

Trả lời:

a) v = k . CX.CY

Trong đó k là hằng số tốc độ phản ứng

CX.CY lần lượt là nồng độ của X và Y tại một thời điểm đang xét

b) Ở một nhiệt độ xác định, hằng số tốc độ phản ứng này là 2,5.10^-4L/(mol.s). Nồng độ đầu của I₂  và H₂ lần lượt là 0,02 M và 0,03 M. Hãy tính tốc độ phản ứng:

- Tại thời điểm đầu.

- Tại thời điểm đã hết một nửa lượng I₂.

2. Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ phản ứng

Câu hỏi 4: Nêu mối liên hệ giữa nồng độ và áp suất của khí trong hỗn hợp.

Trả lời:

- Trong hỗn hợp khí, nồng độ mỗi khí tỉ lệ thuận với áp suất của nó. Khi nén hỗn hợp khí (giảm thể tích) thì nồng độ mỗi khí tăng lên và ngược lại.

Câu hỏi 5: Áp suất ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng nào sau đây?

Trả lời:

- Áp suất ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng (1), (2).

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng

Hoạt động mục 3: Nghiên cứu  ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng:

Mg + 2H₂O →  Mg(OH)₂ + H₂

Chuẩn bị: Mg dạng phôi bào, dung dịch phenolphthalein, nước cất, 2 ống nghiệm, đèn cồn, kẹp gỗ.

Tiến hành:

Cho vào mỗi ống nghiệm khoảng 3 mL nước cất.

Nhỏ vào mỗi ống nghiệm 1 – 2 giọt phenolphthalein và cho vào mỗi ống 1 mẫu phoi bào Mg.

Đun nóng 1 ống nghiệm.

Lưu ý: Làm sạch bề mặt Mg trước khi tiến hành thí nghiệm.

Quan sát và trả lời câu hỏi:

1. Sự thay đổi màu sắc trong ống nghiệm nào nhanh hơn?

2. Nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ phản ứng?

Trả lời:

1. Sự thay đổi màu sắc trong ống nghiệm được đung nóng nhanh hơn.

2. Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng sẽ tăng lên

Câu hỏi 6: Hãy giải thích tại sao khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng.

Trả lời:

- Khi tăng nhiệt độ, các hạt (phân tử, nguyên tử hoặc ion) sẽ chuyển động nhanh hơn, động năng cao hơn. Khi đó, số va chạm hiệu quả giữa các hạt tăng lên, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng

Câu hỏi 7: Nêu ý nghĩa của hệ số nhiệt độ Van’t Hof.

Trả lời:

- Ý nghĩa của hệ số nhiệt độ Van’t Hof: Giá trị hệ số càng lớn thì ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng càng mạnh.

Câu hỏi 8: Ở 20^oC, tốc độ một phản ứng là 0,05 mol/(L.min). Ở 30^oC, tốc độ phản ứng này là 0,15 mol/(L.min).

a) Hãy tính hệ số nhiệt độ Van’t Hoff của phản ứng trên.

b) Dự đoán tốc độ phản ứng trên ở 40oC (giả thiết hệ số nhiệt độ $\gamma$ trong khoảng nhiệt độ này không đổi).

Trả lời:

* Cách giải 1:

a) Hệ số nhiệt độ Van't Hoff của phản ứng là: $\gamma =\frac{\upsilon _{30^{o}C}}{\upsilon _{20^{o}C}}=\frac{0,15}{0,05}=3$

b) Ta có: $\upsilon _{40^{o}C}=\gamma .^{o}\upsilon _{30^{o}C}=3.0,15=0,45mol/(L.min)$

* Cách giải 2:

a) $\gamma =\frac{\upsilon _{T}+10}{\upsilon _{T}}=0,15:0,05=3$

b) $\gamma =\frac{\upsilon _{T}+10}{\upsilon _{T}}=\frac{\upsilon _{40}}{\upsilon _{30}}=\frac{\upsilon _{40}}{0,15}=3$

=> v₄₀ = 0,15.3 = 0,45 mol/L.min

4. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt đến tốc độ phản ứng

Hoạt động mục 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của diện tích bề mặt đến tốc độ phản ứng:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

Chuẩn bị: 2 bình tam giác, dung dịch HCl 0,5 M, đá vôi dạng viên, đá vôi đập nhỏ.

Tiến hành:

- Cho cùng một lượng (khoảng 2 g) đá vôi dạng viên vào bình tam giác (1) và đá vôi đập nhỏ vào bình tam giác (2).

- Rót 20 mL dung dịch HCl 0,5 M vào mỗi bình.

Quan sát hiện tượng và trả lời câu hỏi:

1. Phản ứng trong bình nào có tốc độ thoát khí nhanh hơn?

2. Đá vôi dạng nào có tổng diện tích bề mặt lớn hơn?

3. Nêu ảnh hưởng của diện tích bề mặt tiếp xúc đến tốc độ phản ứng.

Trả lời:

1. Phản ứng trong bình tam giác (2) chứa đá vôi đập nhỏ có tốc độ thoát khí nhanh hơn.

2. Đá vôi khi đập nhỏ có diện tích bề mặt lớn hơn.

3. Khi tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, số va chạm giữa các chất đầu tăng lên, số va chạm hiệu quả cũng tăng theo, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng.

5. Ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng

Hoạt động mục 5: Nghiên cứu ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng

2H₂O₂   →    2H₂O + O₂

Chuẩn bị: 2 bình tam giác, dung dịch H₂O₂ 10%, MnO₂.

Tiến hành:

Rót vào 2 bình tam giác, mỗi bình 20 mL dung dịch H₂O₂ 10%.

Thêm khoảng 0,1 g xúc tác MnO₂ vào một bình và lắc đều.

Quan sát hiện tượng và trả lời câu hỏi:

1. So sánh tốc độ thoát khí ở hai bình.

2. Chất xúc tác ảnh hưởng thế nào đến tốc độ phản ứng?

Trả lời:

1. Bình được bổ sung chất xúc tác có tốc độ thoát khí nhanh hơn so với bình không có chất xúc tác.

2. Khi có chất xúc tác, phản ứng sẽ xảy ra qua nhiều giai đoạn. Mỗi giai đoạn đều có năng lượng hoạt hóa thấp hơn so với phản ứng không xúc tác. Do đó số hạt có đủ năng lượng hoạt hóa sẽ nhiều hơn, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng lên.

Câu hỏi 9: Thực hiện hai phản ứng phân hủy H₂O₂: một phản ứng có xúc tác MnO₂, một phản ứng không xúc tác. Đo thể tích khí oxygen theo thời gian và biểu diễn trên đồ thị như hình bên.

Đường phản ứng nào trên đồ thị tương ứng với phản ứng có xúc tác, với phản ứng không có xúc tác?

Trả lời:

- Đường (a) không có xúc tác, đường (b) có xúc tác. Do tốc độ phản ứng của cùng thời điểm cao hơn.

III. Một số ứng dụng của việc thay đổi tốc dộ phản ứng

Câu hỏi 10: Yếu tố nào đã được áp dụng để làm thay đổi tốc độ của các phản ứng trong Hình 19.7?

Trả lời:

Yếu tố được áp dụng để làm thay đổi tốc độ của các phản ứng trong Hình 19.7 là:

a) Đèn xì oxygen – acetylene: nồng độ (tăng oxygen).

b) Tủ lạnh bảo quản thức ăn: nhiệt độ.

c) Bình dưa muối: chất xúc tác.

Câu hỏi 11: Phản ứng tạo NO từ NH_­3 là một giai đoạn trung gian trong quá trình sản xuất nitric acid: 4NH₃(g)  + 5O₂(g)  → 4NO(g) + 6 H₂O(g)

Hãy nêu một số cách để tăng tốc độ phản ứng này.

Trả lời:

- Nhiệt độ: 850 – 900^oC,

- Chất xúc tác: Bạch kim (Pt) hoặc Fe₂O₃.