Bài học

Ôn tập tốc độ phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em tính được tốc độ trung bình của phản ứng từ dữ liệu nồng độ theo thời gian, viết được biểu thức tốc độ cho phản ứng đơn giản, và vận dụng quy tắc Van't Hoff để dự đoán tốc độ phản ứng thay đổi thế nào khi nhiệt độ thay đổi.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước cho biết một phản ứng toả hay thu bao nhiêu năng lượng — đại lượng nhiệt động học, không phụ thuộc phản ứng diễn ra nhanh hay chậm. Bài này chuyển sang góc nhìn khác: cùng một phản ứng, tốc độ diễn ra nhanh hay chậm phụ thuộc vào những yếu tố nào.

Khởi động

Cùng một miếng thịt, để trong ngăn đá tủ lạnh có thể giữ được hàng tháng, nhưng để ngoài trời nóng chỉ vài giờ đã có dấu hiệu hỏng. Yếu tố nào đã làm thay đổi tốc độ các phản ứng phân huỷ trong miếng thịt đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Tốc độ phản ứng trung bình. Được tính bằng độ biến thiên nồng độ của một chất trong phản ứng chia cho khoảng thời gian biến thiên đó: $v = \dfrac{-\Delta C_{\text{chất phản ứng}}}{\Delta t}$ (hoặc dùng $+\Delta C_{\text{sản phẩm}}$ ), đơn vị thường dùng là mol/(L·s).

Năm yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, tất cả đều giải thích được qua tần suất và hiệu quả va chạm giữa các phân tử: nồng độ (tăng nồng độ → nhiều phân tử va chạm hơn trong một đơn vị thời gian → tốc độ tăng); áp suất (với phản ứng có chất khí, tăng áp suất gần tương đương tăng nồng độ khí); nhiệt độ (tăng nhiệt độ → phân tử chuyển động nhanh hơn, số va chạm CÓ HIỆU QUẢ tăng mạnh hơn nhiều so với chỉ tăng số va chạm thông thường → tốc độ tăng nhanh); diện tích bề mặt tiếp xúc (chất rắn nghiền càng nhỏ, diện tích tiếp xúc với chất phản ứng khác càng lớn → tốc độ tăng); và chất xúc tác (làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng, giúp nhiều va chạm trở nên hiệu quả hơn, trong khi bản thân chất xúc tác không bị tiêu hao sau phản ứng).

Biểu thức tốc độ (định luật tốc độ). Với một phản ứng đơn giản (sơ cấp) dạng $aA + bB \to \text{sản phẩm}$ , tốc độ được viết $v = k[A]^a[B]^b$ , trong đó $k$ là hằng số tốc độ — chỉ phụ thuộc bản chất phản ứng, nhiệt độ và chất xúc tác (nếu có), KHÔNG phụ thuộc nồng độ chất phản ứng.

Quy tắc kinh nghiệm Van't Hoff. Với nhiều phản ứng, khi tăng nhiệt độ thêm $10^\circ C$ , tốc độ phản ứng thường tăng lên $\gamma$ lần ( $\gamma$ gọi là hệ số nhiệt độ, thường nằm trong khoảng 2 đến 4 tuỳ phản ứng). Tổng quát hoá cho một khoảng nhiệt độ $\Delta T$ bất kì: $\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\Delta T / 10}$ .

Vì sao nhiệt độ có tác động mạnh hơn hẳn nồng độ. Nồng độ và áp suất tác động lên tốc độ khá trực tiếp: càng nhiều "hạt" chuyển động trong cùng một thể tích thì càng nhiều va chạm xảy ra. Diện tích bề mặt cũng dễ hình dung qua hình ảnh nghiền nhỏ chất rắn. Nhiệt độ đặc biệt hơn hẳn: nó không chỉ làm phân tử chuyển động nhanh hơn (tăng số va chạm) mà quan trọng hơn, làm tăng mạnh tỉ lệ số va chạm CÓ ĐỦ NĂNG LƯỢNG để phản ứng thật sự xảy ra. Chính vì vậy, chỉ cần tăng nhiệt độ thêm 10–20°C đã có thể khiến tốc độ tăng gấp nhiều lần — mạnh hơn hẳn khi tăng nồng độ cùng một tỉ lệ phần trăm. Đây cũng là lí do thực phẩm bảo quản trong tủ lạnh (nhiệt độ thấp) giữ được lâu hơn hẳn so với để ở ngoài trời nóng, đúng như câu hỏi khởi động đầu bài.

**Tốc độ phản ứng trung bình.** Được tính bằng độ biến thiên nồng độ của một chất trong phản ứng chia cho khoảng thời gian biến thiên đó: $v = \dfrac{-\Delta C_{\text{chất phản ứng}}}{\Delta t}$ (hoặc dùng $+\Delta C_{\text{sản phẩm}}$), đơn vị thường dùng là mol/(L·s). **Năm yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng**, tất cả đều giải thích được qua tần suất và hiệu quả va chạm giữa các phân tử: nồng độ (tăng nồng độ → nhiều phân tử va chạm hơn trong một đơn vị thời gian → tốc độ tăng); áp suất (với phản ứng có chất khí, tăng áp suất gần tương đương tăng nồng độ khí); nhiệt độ (tăng nhiệt độ → phân tử chuyển động nhanh hơn, số va chạm CÓ HIỆU QUẢ tăng mạnh hơn nhiều so với chỉ tăng số va chạm thông thường → tốc độ tăng nhanh); diện tích bề mặt tiếp xúc (chất rắn nghiền càng nhỏ, diện tích tiếp xúc với chất phản ứng khác càng lớn → tốc độ tăng); và chất xúc tác (làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng, giúp nhiều va chạm trở nên hiệu quả hơn, trong khi bản thân chất xúc tác không bị tiêu hao sau phản ứng). **Biểu thức tốc độ (định luật tốc độ).** Với một phản ứng đơn giản (sơ cấp) dạng $aA + bB \to \text{sản phẩm}$, tốc độ được viết $v = k[A]^a[B]^b$, trong đó $k$ là hằng số tốc độ — chỉ phụ thuộc bản chất phản ứng, nhiệt độ và chất xúc tác (nếu có), KHÔNG phụ thuộc nồng độ chất phản ứng. **Quy tắc kinh nghiệm Van't Hoff.** Với nhiều phản ứng, khi tăng nhiệt độ thêm $10^\circ C$, tốc độ phản ứng thường tăng lên $\gamma$ lần ($\gamma$ gọi là hệ số nhiệt độ, thường nằm trong khoảng 2 đến 4 tuỳ phản ứng). Tổng quát hoá cho một khoảng nhiệt độ $\Delta T$ bất kì: $\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\Delta T / 10}$. **Vì sao nhiệt độ có tác động mạnh hơn hẳn nồng độ.** Nồng độ và áp suất tác động lên tốc độ khá trực tiếp: càng nhiều "hạt" chuyển động trong cùng một thể tích thì càng nhiều va chạm xảy ra. Diện tích bề mặt cũng dễ hình dung qua hình ảnh nghiền nhỏ chất rắn. Nhiệt độ đặc biệt hơn hẳn: nó không chỉ làm phân tử chuyển động nhanh hơn (tăng số va chạm) mà quan trọng hơn, làm tăng mạnh tỉ lệ số va chạm CÓ ĐỦ NĂNG LƯỢNG để phản ứng thật sự xảy ra. Chính vì vậy, chỉ cần tăng nhiệt độ thêm 10–20°C đã có thể khiến tốc độ tăng gấp nhiều lần — mạnh hơn hẳn khi tăng nồng độ cùng một tỉ lệ phần trăm. Đây cũng là lí do thực phẩm bảo quản trong tủ lạnh (nhiệt độ thấp) giữ được lâu hơn hẳn so với để ở ngoài trời nóng, đúng như câu hỏi khởi động đầu bài.

Cứ tăng thêm 10°C, tốc độ phản ứng lại nhân đôi khi γ = 2.

Ví dụ

Tính tốc độ phản ứng trung bình từ dữ liệu nồng độ

1
Trong một thí nghiệm phân huỷ $H_2O_2$ trong dung dịch, nồng độ $H_2O_2$ giảm từ 1,00 mol/L xuống còn 0,80 mol/L sau 50 giây. Tính tốc độ trung bình của phản ứng trong khoảng thời gian này.
Trong một thí nghiệm phân huỷ $H_2O_2$ trong dung dịch, nồng độ $H_2O_2$ giảm từ 1,00 mol/L xuống còn 0,80 mol/L sau 50 giây. Tính tốc độ trung bình của phản ứng trong khoảng thời gian này.
2
$\Delta C = 1{,}00 - 0{,}80 = 0{,}20$ mol/L (nồng độ giảm nên lấy giá trị dương của độ giảm khi tính tốc độ).
$\Delta C = 1{,}00 - 0{,}80 = 0{,}20$ mol/L (nồng độ giảm nên lấy giá trị dương của độ giảm khi tính tốc độ).
3
$v = \dfrac{\Delta C}{\Delta t} = \dfrac{0{,}20}{50}$ .
$v = \dfrac{\Delta C}{\Delta t} = \dfrac{0{,}20}{50}$.
4
$v = 0{,}004$ mol/(L·s). Đây là tốc độ TRUNG BÌNH trong cả khoảng 50 giây, không phải tốc độ tức thời tại một thời điểm cụ thể.
$v = 0{,}004$ mol/(L·s). Đây là tốc độ TRUNG BÌNH trong cả khoảng 50 giây, không phải tốc độ tức thời tại một thời điểm cụ thể.

Ví dụ

Giải thích ảnh hưởng của diện tích bề mặt

1
Khi nghiền nhỏ đá vôi ( $CaCO_3$ ) trước khi cho tác dụng với dung dịch HCl cùng nồng độ, cùng khối lượng, phản ứng kết thúc nhanh hơn hẳn so với dùng đá vôi dạng cục lớn. Giải thích hiện tượng này, và cho biết yếu tố đó có làm thay đổi lượng khí $CO_2$ sinh ra cuối cùng hay không.
Khi nghiền nhỏ đá vôi ($CaCO_3$) trước khi cho tác dụng với dung dịch HCl cùng nồng độ, cùng khối lượng, phản ứng kết thúc nhanh hơn hẳn so với dùng đá vôi dạng cục lớn. Giải thích hiện tượng này, và cho biết yếu tố đó có làm thay đổi lượng khí $CO_2$ sinh ra cuối cùng hay không.
2
Nghiền nhỏ đá vôi làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chất rắn $CaCO_3$ và dung dịch HCl. Diện tích tiếp xúc lớn hơn khiến số va chạm hiệu quả giữa các phân tử/ion trong một đơn vị thời gian tăng lên, nên tốc độ phản ứng tăng, phản ứng kết thúc nhanh hơn.
Nghiền nhỏ đá vôi làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chất rắn $CaCO_3$ và dung dịch HCl. Diện tích tiếp xúc lớn hơn khiến số va chạm hiệu quả giữa các phân tử/ion trong một đơn vị thời gian tăng lên, nên tốc độ phản ứng tăng, phản ứng kết thúc nhanh hơn.
3
Tuy nhiên, lượng khí $CO_2$ sinh ra CUỐI CÙNG không đổi, vì diện tích bề mặt chỉ ảnh hưởng đến TỐC ĐỘ phản ứng, không làm thay đổi lượng chất phản ứng ban đầu hay bản chất phương trình hoá học.
Tuy nhiên, lượng khí $CO_2$ sinh ra CUỐI CÙNG không đổi, vì diện tích bề mặt chỉ ảnh hưởng đến TỐC ĐỘ phản ứng, không làm thay đổi lượng chất phản ứng ban đầu hay bản chất phương trình hoá học.

Ví dụ

Vận dụng quy tắc Van't Hoff

1
Một phản ứng có hệ số nhiệt độ $\gamma = 2$ . Nếu tốc độ phản ứng ở $20^\circ C$ là $v_1$ , hỏi tốc độ phản ứng ở $50^\circ C$ tăng bao nhiêu lần so với $v_1$ ?
Một phản ứng có hệ số nhiệt độ $\gamma = 2$. Nếu tốc độ phản ứng ở $20^\circ C$ là $v_1$, hỏi tốc độ phản ứng ở $50^\circ C$ tăng bao nhiêu lần so với $v_1$?
2
$\Delta T = 50 - 20 = 30^\circ C$ .
$\Delta T = 50 - 20 = 30^\circ C$.
3
$\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\Delta T/10} = 2^{30/10} = 2^3$ .
$\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\Delta T/10} = 2^{30/10} = 2^3$.
4
$\dfrac{v_2}{v_1} = 8$ . Vậy tốc độ phản ứng ở $50^\circ C$ tăng gấp 8 lần so với ở $20^\circ C$ .
$\dfrac{v_2}{v_1} = 8$. Vậy tốc độ phản ứng ở $50^\circ C$ tăng gấp 8 lần so với ở $20^\circ C$.

Sai lầm thường gặp

Nhầm lẫn phổ biến: nghĩ hằng số tốc độ $k$ phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng — thực chất $k$ chỉ phụ thuộc nhiệt độ, bản chất phản ứng và chất xúc tác. Một lỗi khác là áp dụng máy móc $\gamma^{\Delta T/10}$ mà quên $\Delta T$ có thể không phải bội số của 10 (số mũ khi đó là một số không nguyên, vẫn tính bình thường bằng máy tính).

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

5 yếu tố ảnh hưởng tốc độ: nồng độ, áp suất (khí), nhiệt độ, diện tích bề mặt, chất xúc tác — tất cả đều tác động qua tần suất/hiệu quả va chạm. Quy tắc Van't Hoff: $v_2/v_1 = \gamma^{\Delta T/10}$ .

Chương cuối cùng của khoá ôn tập này quay lại một nhóm nguyên tố cụ thể — halogen — nơi các quy luật về vị trí, liên kết và tốc độ phản ứng em vừa ôn đều thể hiện rõ trong thực tế.