Chương 8: Động hóa học

1 LOGO PowerPoint Template www.themegallery.com Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 CHƯƠNG 8: ĐỘNG HÓA HỌC 8.1 Vận tốc phản ứng 8.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng 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 really FAST Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 It was also really FUN 2 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 I wonder if I should be wearing my goggles? Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.1 Vận tốc phản ứng 1 Tốc độ trung bình và tốc độ tức thời 8.1.2 Khái niệm vận tốc phản ứng 1 8.1.1 8.1.3 Phương pháp xác định tốc độ phản ứng Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.1.1 Khái niệm vận tốc phản ứng
Tốc độ của phản ứng hóa học là đại lượng đặc trưng cho diễn biến nhanh hay chậm của một phản ứng hóa học.
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 đơn vị thời gian. V = Nồng độ sau – nồng độ trước Thời gian sau – thời gian trước = ∆[C] ∆ t Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.1.2 Tốc độ trung bình và tốc độ tức thời
Tốc độ trung bình của phản ứng : V = ± ∆C/∆t
Tốc độ tức thời của phản ứng: V = lim v ∆t→0 = ± dC/dt t ]F[ f 1 t ]E[ e 1 t ]B[ b 1 t ]A[ a 1 rate ∆ ∆ = ∆ ∆ = ∆ ∆ −= ∆ ∆ −= aA + bB + … = eE + fF + … Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.1.3 Phương pháp xác định tốc độ phản ưng
Ví dụ xét phản ứng phân hủy N2O5. 2N2O5 (k)  2N2O4 (k) + O2 (k) - khi N2O5 phân hủy, N2O4 giữ lại trong dung dịch và O2 có thể thu được qua ống đong. Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.1.3 Phương pháp xác định tốc độ phản ưng Gas buret Constant temperature bath Back Enter 3 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.1.3 Phương pháp xác định tốc độ phản ưng 900 600 300 0 T(s) 3000 2400 1800 1200 7800 6600 5400 4200 2.18 1.15 0 VO2 5.36 3.95 3.11 8.75 7.42 6.50 10.53 10.17 9.62 Kết quả thí nghiệm Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.1.3 Phương pháp xác định tốc độ phản ưng 0 2 4 6 8 10 12 0 2000 4000 6000 8000 T(s) VO2 (ml) Tốc độ của oxi giảm cùng thời gian Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.1.3 Phương pháp xác định tốc độ phản ưng
Tốc độ trung bình:
Tốc độ giải phóng O2 = ∆ V (O 2 ) ∆ t 0.0031 900 0.0034 600 0.0038 300 0 VO*2 T(s) 0.0015 3000 0.0019 2400 0.0024 1800 0.0028 1200 Back Click xem violip Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng 8.2.1 Nồng độ 8.2.2 Cơ chế và bậc phản ứng 8.2.3 Nhiệt độ 8.2.4 Xúc tác Vận tốc Phản ứng Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ Định luật tác dụng khối lượng Trong hệ đồng thể, ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng tỷ lệ thuận với tích số nồng độ các chất phản ứng (kèm theo số mũ thích hợp)”. Phương trình toán mô tả quan hệ của tốc độ tức thời với nồng độ các chất phản ứng được gọi là phương trình tốc độ phản ứng hay phương trình động học. Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ Tốc độ phản ứng V= k CmA.CnB.
Trong đó: - k: hằng số tốc độ của phản ứng. - CA và CB: nồng độ mol/l của chất A và chất B tại thời điểm khảo sát. - m, n: bậc phản ứng của chất A và B, bậc phản ứng được xác định bằng thực nghiệm aA + bB = cC + dD Back Enter 4 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ Back Enter 1. Click xem violip 2. Click xem violip 3. Click xem violip 4. Click xem violip Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ
Đối với chất khí nồng độ được thay thế bằng áp suất riêng phần của chúng. - Với PA và PB là áp suất riêng phần của chất A và B tại thời điểm khảo sát. V= k.PmA.PnB Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.2 Ảnh hưởng của cơ chế và bậc phản ứng
Bậc phản ứng là một đại lượng thực nghiệm, nó là tổng số mũ các nồng độ trong phương trình động học. Bậc phản ứng cho biết ảnh hưởng tổng quát của nồng độ lên vận tốc phản ứng. - phản ứng bậc không: m=n=0 - phản ứng bậc một m+n=1 - phản ứng bậc hai m+n=2 - phản ứng bậc ba m+n=3. Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.2 Ảnh hưởng của cơ chế và bậc phản ứng
Phản ứng hóa học xảy ra phức tạp.
Trải qua nhiều giai đọan trung gian
Giai đọan nào chậm nhất là giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng.
Mỗi giai đoạn là một quá trình cơ bản.
Tập hợp các quá trình cơ bản gọi là cơ chế phản ứng. Ví dụ: 4Fe2+ + O2 = 4Fe3+ + 2H2O Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.2 Ảnh hưởng của cơ chế và bậc phản ứng 4Fe2+ + O2 = 4Fe3+ + 2H2O - Phản ứng đó trải qua các giai đoạn sau: Fe2+ + O2 → Fe3+ + O2- O2- + H+ → HO2. Fe2+ +HO2. → Fe3+ + HO2- HO2- + H+ → H2O2 H2O2 + Fe2+ → Fe3+ + OH- + O.H Fe2+ + O.H → Fe3+ + OH- OH- + H+ → H2O Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3 Ảnh hưởng của Nhiệt độ 8.2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 8.2.3.2 Thuyết va chạm hoạt động 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp Back 5 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.1 Ảnh hưởng của Nhiệt độ
Đa số vận tốc của phản ứng hóa học đều tăng theo nhiệt độ.
Ví dụ: H2(k)+O2(k)=H2O ∆G0298=-54,635kcal/mol - Phản ứng trên ở 6000C thì xảy ra rất nhanh - Theo Van’t Hoft: Hầu hết tốc độ của các phản ứng tăng theo nhiệt độ, cứ nhiệt độ tăng 10 độ thì tốc độ tăng lên 2-4 lần. Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.1 Ảnh hưởng của Nhiệt độ
Trong đó:  γ là hệ số nhiệt độ.  V1 là tốc độ phản ứng ở nhiệt độ t1.  V2 là tốc độ phản ứng ở nhiệt độ t2. 2 1 2 10 1 t t v v γ − = Back Enter 1. Click xem violip 2. Click xem violip Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.1 Ảnh hưởng của Nhiệt độ
Năm 1889, Arrhenius người Thụy Điển đã đưa ra phương trình thực nghiệm biểu diễn mối quan hệ hằng số vận tốc với nhiệt độ.
Trong đó: - k: hằng số vận tốc phản ứng - R: hằng số khí - Ea: năng lượng hoạt hóa. dlnk dT Ea RT2 = Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.1 Ảnh hưởng của Nhiệt độ
Phương trình Arrhenius có thể viết dưới dạng:
Lấy tích phân phương trình từ nhiệt độ T1 đến T2 ta được: k = k0 x e -Ea RT dlnk dT Ea RT2 = [ ] kT2 kT1 -Ea R = ln 1 T2 - 1 T1 Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.2 Thuyết va chạm hoạt động
Điều kiện để phản ứng hóa học xảy ra là các phân tử của chất tham gia phản ứng phải va chạm tương tác với nhau.
Phải làm yếu hoặc làm đứt để tạo thành liên kết mới.
Xây dựng liên kết mới đòi hỏi phải tiêu tốn một năng lượng nhất định.
Vận tốc tỷ lệ thuận với số lần va chạm hiệu quả. Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.2 Thuyết va chạm hoạt động
Năng lượng dư mà các phân tử có được để va chạm của chúng dẫn đến sự hình thành chất mới gọi là năng lượng họat hóa (Ea đơn vị kcal/mol; kj/mol).
Năng lượng hoạt hóa là năng lượng cần thiết để đưa các phân tử có năng lượng trung bình lên trạng thái hoạt động. Back Enter 6 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Cho thấy sự biến đổi Năng lượng trong giai Đoạn phản ứng Giản đồ năng lượng của phản ứng ∆H Năng lượng Hoạt hóa Thế năng Tọa độ phản ứng Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Giản đồ năng lượng của phản ứng Năng lượng hoạt hoá Thế năng thay đổi T h ế n ă n g Chiều quá trình Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.2 Thuyết va chạm hoạt động Back 1. Click xem violip 2. Click xem violip 3. Click xem violip 4. Click xem violip 5. Click xem violip Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp (Thuyết phức chất hoạt động)
Thời điểm va chạm của các phân tử hoạt động, các mối liên kết cũ bị yếu đi (chưa phá vỡ) liên kết mới hình thành trạng thái trung gian gọi là trạng thái chuyển tiếp(không bền) có năng lượng dự trữ lớn.
Phức chất hoạt động tồn tại trong một thời gian ngắn.
Khi phân hủy thành sản phẩm kèm theo giải phóng năng lượng. Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp (Thuyết phức chất hoạt động)
Năng lượng hoạt hóa là năng lượng tiêu tốn để chuyển chất tham gia pư ở trạng thái căn bản thành phức hoạt động.
Để thấy rõ quan hệ giữa chất đầu, trạng thái chuyển tiếp, sản phẩm. Người ta dùng đồ thị phản ứng. H - H I - I H….. H I…….I H H I I H2 + I2 = 2HI Phức chất hoạt động H2I2 Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp (Thuyết phức chất hoạt động)
Với: - EH-H:năng lượng liên kết của H2=104kcal/mol - EI-I:năng lượng liên kết của I2=36kcal/mol - EH-I:năng lượng liên kết của HI=72kcal/mol - Ea t: năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận= 40kcal/mol. - Ea n:năng lượng hoạt hóa của phản ứng nghịch= 44kcal/mol. Enter Back 7 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp (Thuyết phức chất hoạt động)
Hiệu ứng nhiệt của phản ứng nếu tiến hành bằng cách làm đứt các liên kết của H2 và I2 là: ∆H = ∑Elktc +∑Elksp =(EH-H + EI-I)- 2EHI = (104+36) – 2.72 = -4 kcal/mol
Năng lượng hoạt hóa trong trường hợp này là: Ea t = EH-H + EI-I = 104+36 = 140 kcal/mol Ea n= 2EH-I = 2.72 = 144 kcal/mol Enter Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.3.3 Thuyết trạng thái chuyển tiếp (Thuyết phức chất hoạt động)
Năng lượng họat hóa càng nhỏ thì có nhiều phân tử có thể trở thành phân tử hoạt động, vận tốc pư càng lớn.
Phản ứng có năng lượng hoạt hóa từ 10- 30kcal/mol tiến hành với vận tốc đo được.
Phản ứng có năng lượng hoạt hóa lớn hơn 30kcal/mol ở nhiệt độ thường xảy ra rất chậm. Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.4 Ảnh hưởng của xúc tác 8.2.4.1 Khái niệm chất xúc tác 8.2.4.2 Phân loại chất xúc tác 8.2.4.3 Tính chất của xúc tác 8.2.4.4 Cơ chế của xúc tác Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.4.1 Khái niệm chất xúc tác
Khái niệm: Chất xúc tác là chất tham gia vào một giai đoạn của phản ứng và làm tăng tốc độ của phản ứng, sau đó được phục hồi và tách ra khỏi sản phẩm của phản ứng mà không bị biến đổi cả về tính chất hoá học cũng như về lượng. Back Click xem violip Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Xúc tác 1 2 3 Đồng thể Dị thể Enzym 8.2.4.2 Phân loại chất xúc tác Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Xúc tác đồng thể - Xúc tác đồng thể: có cùng pha với chất tham gia phản ứng (dung dịch axit, bazơ, muối của kim loại chuyển tiếp…) - Ví dụ: Nhiệt phân dietyl ete ở pha khí với xúc tác đồng thể là hơi iot: C2H5OC2H5 + I2 → CH3CH2I + HI + CH3CHO CH3CH2I + HI → CH3CH3 + I2 CH3CHO → CH4 + CO Back 8 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Xúc tác dị thể
Xúc tác dị thể: không cùng pha với chất tham gia phản ứng, phản ứng hoá học xảy ra trên bề mặt chất xúc tác. 2C2H5OH → CH2=CH-CH=CH2 + H2 + 2H20 - Với xúc tác ZnO, Al2O3, MgO. Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Xúc tác enzym - Các quá trình sinh hóa được xúc tác bởi một loại chất đặc biệt là các men (enzym), chúng biểu lộ giống xúc tác dị thể và được gọi là xúc tác vi dị thể. Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Xúc tác enzym
Xúc tác enzyme E + S  ES k1 k -1 → E + P k2 E + S  ES k1 k -1 ES → E + P k2 Xem violip Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.4.3 Tính chất của xúc tác
Chất xúc tác chỉ làm tăng vận tốc phản ứng có ∆G<0.
∆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.
Xúc tác có tính chọn lọc. Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.4.3 Tính chất của xúc tác
Ví dụ: Rượu etylic với xúc tác khác nhau cho sản phẩm khác nhau: - Xúc tác Cu ở 200 đến 2500C cho sản phẩm andehit. - Xúc tác Al2O3 ở 300 đến 3600C cho sản phẩm etylen. - Xúc tác ZnO + Cr2O3 ở 400 đến 5000C cho sản phẩm butadien. - Xúc tác H2SO4 đặc ở 1400C cho sản phẩm dietyl eter. Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 8.2.4.4 Cơ chế của xúc tác Xúc tác trong phản ứng đồng thể Cơ chế Xúc tác trong phản ứng dị thể Back 9 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Cơ chế của xúc tác trong phản ứng đồng thể
Phản ứng đồng thể tác dụng chủ yếu của xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng bằng cách thay đổi cơ chế phản ứng từ đó làm tăng vận tốc.
Cơ chế tác dụng của xúc tác được giải thích bằng thuyết trạng thái chuyển tiếp. Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009
Giả sử ta có: A + B → AB Phản ứng không có xúc tác: A + B → A…B → AB E1 (1) Phản ứng có xúc tác X, có 2 giai đoạn: A + X → AX E2 (2) AX + B → AX…B → AB E3 (3) Phản ứng (2) và (3) xảy ra dễ dàng hơn và nhanh hơn phản ứng (1). Cơ chế của xúc tác trong phản ứng đồng thể Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Nl hoạt hoá khi pư không có XT Nl hoạt hoá khi pư có XT Nl giải phóng của pư thuận Quá trình pư Th ế n ă n g Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Phản ứng không cóxúc tác Không xúc tác cần nl hoạt hóa là 17kj Phản ứng cóxúc tác 0.4 kj Có xúc tác nl hh còn 2.1kj O2 + O2 (+Cl) ClO + O2 (+O) Cl…..O…O.O O…O…O.O Cl…..O…O O + O3 (+Cl) Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Cơ chế của xúc tác trong phản ứng đồng thể 1. Click xem violip 2. Click xem violip 3. Click xem violip Back Gv: Quach An Binh Thang 8-2009
Phản ứng dị thể thì cơ chế hoạt động của xúc tác phức tạp hơn rất nhiều.
Cho chất xúc tác phân bố lên chất mang.
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: Cơ chế của xúc tác trong phản ứng dị thể Back Enter Click xem violip 10 Gv: Quach An Binh Thang 8-2009
Quá trình xúc tác dị thể gồm 5 giai 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. - Chuyển sản phẩm ra khỏi bề mặt xúc tác. Cơ chế của xúc tác trong phản ứng dị thể Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Giai đoạn 1: Chuyển chất đến bề mặt phân chia pha Giai đoạn 2: Hấp phụ chất phản ứng Giai đoạn 3: Phản ứng hóa học Giai đoạn4,5: Giải hấp và chuyển sản phẩm ra bề mặt Quá trình xúc tác dị thể gồm 5 giai đoạn Cơ chế của xúc tác trong phản ứng dị thể Back Enter Gv: Quach An Binh Thang 8-2009 Cơ chế của xúc tác trong phản ứng dị thể Click xem violip 1 Click xem violip 2 Click xem violip 3 Back Enter Click xem violip 4 Click xem violip 5 LOGO www.themegallery.com Back