Phần

Định luật tác dụng khối lượng: biểu thức tốc độ và bậc phản ứng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết đúng biểu thức tốc độ $v=k[A]^a[B]^b$ khi biết bậc phản ứng, và giải thích được vì sao bậc phản ứng không nhất thiết trùng với hệ số tỉ lượng trong phương trình hóa học.

Kiến thức cần có

Cần bài trước (tốc độ trung bình) và biết đọc hệ số tỉ lượng trong một phương trình hóa học đã cân bằng.

Nối tiếp kiến thức đã học. Hóa học 10 nền tảng (curriculum/grades/hoa-hoc-10-foundation.md, Course 7) đã dạy tốc độ trung bình $v=-\dfrac{\Delta[A]}{\Delta t}$ (hoặc $+\dfrac{\Delta[P]}{\Delta t}$ với sản phẩm) và biểu thức tốc độ $v=k[A]^a[B]^b$ cho phản ứng đơn giản, trong đó $a$ , $b$ được cho sẵn trong đề bài. Hai bài đầu khóa này chỉ ôn nhanh hai công cụ đó — chưa có nội dung vượt YCCĐ — để làm nền cho Chương 2, nơi $a$ và $b$ phải tự xác định từ số liệu thực nghiệm, đúng phần vượt chuẩn của khóa.

**Nối tiếp kiến thức đã học.** Hóa học 10 nền tảng (curriculum/grades/hoa-hoc-10-foundation.md, Course 7) đã dạy tốc độ trung bình $v=-\dfrac{\Delta[A]}{\Delta t}$ (hoặc $+\dfrac{\Delta[P]}{\Delta t}$ với sản phẩm) và biểu thức tốc độ $v=k[A]^a[B]^b$ cho phản ứng đơn giản, trong đó $a$, $b$ được **cho sẵn** trong đề bài. Hai bài đầu khóa này chỉ ôn nhanh hai công cụ đó — chưa có nội dung vượt YCCĐ — để làm nền cho Chương 2, nơi $a$ và $b$ phải **tự xác định từ số liệu thực nghiệm**, đúng phần vượt chuẩn của khóa.

Câu hỏi mở đầu

Cho phản ứng $2NO+O_2\to 2NO_2$ . Nếu ai đó khẳng định ngay biểu thức tốc độ phải là $v=k[NO]^2[O_2]^1$ chỉ vì nhìn vào hệ số 2 và 1, điều đó có chắc chắn đúng không?

Cho phản ứng $2NO+O_2\to 2NO_2$. Nếu ai đó khẳng định ngay biểu thức tốc độ phải là $v=k[NO]^2[O_2]^1$ chỉ vì nhìn vào hệ số 2 và 1, điều đó có chắc chắn đúng không?

Biểu thức tốc độ và ý nghĩa từng đại lượng

Với một phản ứng $aA+bB\to$ sản phẩm, định luật tác dụng khối lượng viết tốc độ dưới dạng $v=k[A]^m[B]^n$ , trong đó $k$ là hằng số tốc độ (phụ thuộc bản chất phản ứng và nhiệt độ, không phụ thuộc nồng độ), còn $m$ , $n$ là bậc riêng phần theo từng chất, tổng $m+n$ là bậc toàn phần của phản ứng. Đơn vị của $k$ đổi theo bậc toàn phần, nên không có một đơn vị 'chuẩn' duy nhất cho k — phải suy ra từ chính biểu thức.

Với một phản ứng $aA+bB\to$ sản phẩm, định luật tác dụng khối lượng viết tốc độ dưới dạng $v=k[A]^m[B]^n$, trong đó $k$ là hằng số tốc độ (phụ thuộc bản chất phản ứng và nhiệt độ, không phụ thuộc nồng độ), còn $m$, $n$ là bậc riêng phần theo từng chất, tổng $m+n$ là bậc toàn phần của phản ứng. Đơn vị của $k$ đổi theo bậc toàn phần, nên không có một đơn vị 'chuẩn' duy nhất cho k — phải suy ra từ chính biểu thức.

Điểm mấu chốt của bài này: với phản ứng đơn giản (một giai đoạn, elementary), $m$ và $n$ trùng với hệ số tỉ lượng $a$ , $b$ . Nhưng phần lớn phản ứng thực tế xảy ra qua nhiều giai đoạn (cơ chế phản ứng), và khi đó $m$ , $n$ chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm — không được suy ra trực tiếp từ phương trình đã cân bằng. Đây là ý chính mà Chương 2 sẽ khai thác.

Điểm mấu chốt của bài này: với **phản ứng đơn giản (một giai đoạn, elementary)**, $m$ và $n$ trùng với hệ số tỉ lượng $a$, $b$. Nhưng phần lớn phản ứng thực tế xảy ra qua **nhiều giai đoạn** (cơ chế phản ứng), và khi đó $m$, $n$ chỉ có thể xác định bằng **thực nghiệm** — không được suy ra trực tiếp từ phương trình đã cân bằng. Đây là ý chính mà Chương 2 sẽ khai thác.

Chỉ phản ứng đơn giản (một giai đoạn) mới cho phép suy bậc trực tiếp từ phương trình; đa số phản ứng cần đo đạc.

Chuẩn Hướng dẫn giải

Trong Hướng dẫn giải, luôn trích đúng số liệu (nồng độ, thời gian, nhiệt độ) trước khi kết luận. Gọi tên chính xác đại lượng đang tính (tốc độ trung bình, bậc phản ứng, hằng số tốc độ k, hệ số nhiệt độ γ), nêu công thức áp dụng, tính từng bước có đơn vị, rồi kết bằng "Vậy …" nêu rõ giá trị và đơn vị. Không gộp hai phép so sánh khác biến vào một kết luận, và không bỏ qua việc kiểm tra đơn vị của k — đơn vị của k phụ thuộc bậc phản ứng, không cố định.

Trong **Hướng dẫn giải**, luôn trích đúng số liệu (nồng độ, thời gian, nhiệt độ) trước khi kết luận. Gọi tên chính xác đại lượng đang tính (tốc độ trung bình, bậc phản ứng, hằng số tốc độ k, hệ số nhiệt độ γ), nêu công thức áp dụng, tính từng bước có đơn vị, rồi kết bằng "Vậy …" nêu rõ giá trị và đơn vị. Không gộp hai phép so sánh khác biến vào một kết luận, và không bỏ qua việc kiểm tra đơn vị của k — đơn vị của k phụ thuộc bậc phản ứng, không cố định.

Error-log

Error-log của bài này: mặc định bậc phản ứng luôn bằng hệ số tỉ lượng cho mọi phản ứng; quên rằng đơn vị của $k$ thay đổi theo bậc toàn phần; và nhầm $k$ là một tốc độ (k không có ý nghĩa tốc độ khi chưa nhân với nồng độ).

Ví dụ

Ví dụ 1 — Viết biểu thức tốc độ khi bậc được cho sẵn

1
Phản ứng $2N_2O_5\to 4NO_2+O_2$ được xác định bằng thực nghiệm là bậc một theo $N_2O_5$ (kết quả thực tế, không suy từ hệ số 2). Viết biểu thức tốc độ và nêu đơn vị của k nếu tốc độ tính theo mol/(L·s).
Phản ứng $2N_2O_5\to 4NO_2+O_2$ được xác định bằng thực nghiệm là bậc một theo $N_2O_5$ (kết quả thực tế, không suy từ hệ số 2). Viết biểu thức tốc độ và nêu đơn vị của k nếu tốc độ tính theo mol/(L·s).
2
Đề cho hệ số tỉ lượng là 2 nhưng bậc thực nghiệm chỉ là 1 — nếu áp máy móc 'bậc bằng hệ số' sẽ viết sai biểu thức, dù phương trình đã cân bằng đúng.
3
Dùng đúng bậc thực nghiệm đã cho (bậc 1), không dùng hệ số tỉ lượng (2), để viết biểu thức.
4
Vì phản ứng có bậc một theo $N_2O_5$ và không còn chất phản ứng nào khác, biểu thức tốc độ là $v=k[N_2O_5]^1=k[N_2O_5]$ . Bậc toàn phần của phản ứng là 1. Xét đơn vị: $v$ có đơn vị mol·L⁻¹·s⁻¹, $[N_2O_5]$ có đơn vị mol·L⁻¹, nên $k=\dfrac{v}{[N_2O_5]}$ có đơn vị $\dfrac{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}}{mol\cdot L^{-1}}=s^{-1}$ . Vậy $v=k[N_2O_5]$ với đơn vị k là s⁻¹.
Vì phản ứng có bậc một theo $N_2O_5$ và không còn chất phản ứng nào khác, biểu thức tốc độ là $v=k[N_2O_5]^1=k[N_2O_5]$. Bậc toàn phần của phản ứng là 1. Xét đơn vị: $v$ có đơn vị mol·L⁻¹·s⁻¹, $[N_2O_5]$ có đơn vị mol·L⁻¹, nên $k=\dfrac{v}{[N_2O_5]}$ có đơn vị $\dfrac{mol\cdot L^{-1}\cdot s^{-1}}{mol\cdot L^{-1}}=s^{-1}$. Vậy $v=k[N_2O_5]$ với đơn vị k là s⁻¹.
5
Đơn vị s⁻¹ không phụ thuộc nồng độ — đúng đặc điểm của phản ứng bậc một, nơi k có thứ nguyên nghịch đảo thời gian.
6
Nếu một phản ứng khác có bậc toàn phần bằng 2 (ví dụ $v=k[A]^2$ ), đơn vị k sẽ là $L\cdot mol^{-1}\cdot s^{-1}$ — khác hẳn trường hợp bậc một, vì thứ nguyên phải tự cân bằng theo từng bậc riêng.
Nếu một phản ứng khác có bậc toàn phần bằng 2 (ví dụ $v=k[A]^2$), đơn vị k sẽ là $L\cdot mol^{-1}\cdot s^{-1}$ — khác hẳn trường hợp bậc một, vì thứ nguyên phải tự cân bằng theo từng bậc riêng.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Phản ứng không đơn giản, chưa thể kết luận bậc

1
Phản ứng khí $H_2+Br_2\to 2HBr$ có hệ số tỉ lượng của $H_2$ và $Br_2$ đều bằng 1. Một bạn viết ngay $v=k[H_2][Br_2]$ . Nhận xét lập luận này.
Phản ứng khí $H_2+Br_2\to 2HBr$ có hệ số tỉ lượng của $H_2$ và $Br_2$ đều bằng 1. Một bạn viết ngay $v=k[H_2][Br_2]$. Nhận xét lập luận này.
2
Trông có vẻ hợp lý vì hệ số tỉ lượng đều là 1, nhưng đề không hề nói đây là phản ứng đơn giản một giai đoạn — bẫy nằm ở chỗ 'trông đơn giản' không có nghĩa là 'phản ứng đơn giản' theo đúng định nghĩa hóa học.
3
Kiểm tra xem đề có xác nhận phản ứng chỉ xảy ra qua một giai đoạn va chạm trực tiếp hay không, trước khi suy bậc từ hệ số.
4
Phản ứng $H_2+Br_2\to 2HBr$ trong thực tế xảy ra qua một cơ chế nhiều giai đoạn phức tạp (được biết đến trong hóa học nâng cao), nên bậc phản ứng thực nghiệm của nó không trùng đơn giản với hệ số tỉ lượng 1 và 1. Việc bạn học sinh viết ngay $v=k[H_2][Br_2]$ chỉ dựa vào hệ số tỉ lượng là một suy luận không có căn cứ — hệ số tỉ lượng chỉ đúng cho việc cân bằng số nguyên tử, không tự động là bậc phản ứng. Vậy kết luận của bạn học sinh chưa được chứng minh; muốn biết bậc thật, bắt buộc phải có số liệu thực nghiệm đo tốc độ ở nhiều nồng độ khác nhau.
Phản ứng $H_2+Br_2\to 2HBr$ trong thực tế xảy ra qua một cơ chế nhiều giai đoạn phức tạp (được biết đến trong hóa học nâng cao), nên bậc phản ứng thực nghiệm của nó không trùng đơn giản với hệ số tỉ lượng 1 và 1. Việc bạn học sinh viết ngay $v=k[H_2][Br_2]$ chỉ dựa vào hệ số tỉ lượng là một suy luận **không có căn cứ** — hệ số tỉ lượng chỉ đúng cho việc cân bằng số nguyên tử, không tự động là bậc phản ứng. Vậy kết luận của bạn học sinh chưa được chứng minh; muốn biết bậc thật, bắt buộc phải có số liệu thực nghiệm đo tốc độ ở nhiều nồng độ khác nhau.
5
Nguyên tắc chung: chỉ khi đề nói rõ 'phản ứng đơn giản' hoặc 'phản ứng một giai đoạn' thì mới được viết bậc bằng hệ số tỉ lượng; mọi trường hợp khác đều cần số liệu.
6
Chương 2 của khóa này sẽ đưa ra đúng loại số liệu đó — ba thí nghiệm đổi từng nồng độ một — để tự tính ra bậc phản ứng thật, thay vì đoán.

Luyện tập có hướng dẫn

Tự luyện và challenge checkpoint

Lỗi thường gặp

Mặc định bậc phản ứng luôn bằng hệ số tỉ lượng cho mọi phương trình đã cân bằng — chỉ đúng khi đề xác nhận rõ đây là phản ứng đơn giản, một giai đoạn; nếu không, bậc phản ứng là một đại lượng thực nghiệm, không phải một con số đọc thẳng từ PTHH.

Chốt bài: Em đã ôn lại biểu thức tốc độ $v=k[A]^m[B]^n$ và nắm được vì sao bậc phản ứng không mặc nhiên trùng hệ số tỉ lượng. Chương sau đưa ra chính loại số liệu thực nghiệm cần thiết để tự xác định m và n.

**Chốt bài:** Em đã ôn lại biểu thức tốc độ $v=k[A]^m[B]^n$ và nắm được vì sao bậc phản ứng không mặc nhiên trùng hệ số tỉ lượng. Chương sau đưa ra chính loại số liệu thực nghiệm cần thiết để tự xác định m và n.