Bài học

Ảnh hưởng của diện tích bề mặt tiếp xúc

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được vì sao tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của chất rắn làm tăng tốc độ phản ứng, dựa trên thuyết va chạm, và vận dụng để tính toán một bài toán kết hợp diện tích bề mặt với số mol khí sinh ra ở điều kiện chuẩn.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước (same-grade bridge) đã dùng thuyết va chạm để giải thích ảnh hưởng của nồng độ và áp suất. Bài này dùng lại đúng lý thuyết đó cho một tình huống khác: chất phản ứng ở thể rắn. Em cũng cần nhớ công thức đổi số mol khí sang thể tích ở điều kiện chuẩn (đkc): $V = n \times 24{,}79$ (lít), áp dụng cho 25 °C và 1 bar theo chương trình 2018 — khác với đktc cũ (0 °C, 1 atm, $V_m = 22{,}4$ lít/mol) mà một số tài liệu cũ vẫn dùng.

Khởi động

Cùng một khối lượng đá vôi (CaCO3), một mẩu để nguyên cả cục, một mẩu nghiền thành bột mịn. Nhỏ cùng một lượng dung dịch HCl dư vào cả hai. Mẩu nào sủi bọt khí CO2 mạnh và hết nhanh hơn — dù tổng khối lượng CaCO3 ở hai cốc bằng nhau?

Kiến thức trọng tâm

Với chất phản ứng ở thể rắn, phản ứng chỉ có thể xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa chất rắn và chất phản ứng còn lại (thường là dung dịch hoặc chất khí) — các phân tử/ion nằm sâu bên trong khối rắn không thể va chạm trực tiếp với chất phản ứng bên ngoài.

Khi nghiền nhỏ chất rắn (từ dạng cục lớn thành dạng hạt nhỏ hoặc bột mịn), tổng diện tích bề mặt tiếp xúc tăng lên rất nhiều dù tổng khối lượng và số mol chất rắn không đổi. Diện tích bề mặt lớn hơn đồng nghĩa số vị trí có thể xảy ra va chạm giữa chất rắn và chất phản ứng còn lại tăng lên, số va chạm hiệu quả trong một đơn vị thời gian tăng theo, nên tốc độ phản ứng tăng.

Cần phân biệt rõ: nghiền nhỏ chỉ thay đổi hình dạng và diện tích bề mặt của chất rắn, không làm thay đổi khối lượng, số mol, hay bản chất hoá học của nó. Vì vậy lượng sản phẩm cuối cùng thu được (khi phản ứng hoàn toàn) là như nhau ở cả hai trường hợp — chỉ có thời gian để đạt được lượng sản phẩm đó là khác nhau.

Với chất phản ứng ở thể rắn, phản ứng chỉ có thể xảy ra tại **bề mặt tiếp xúc** giữa chất rắn và chất phản ứng còn lại (thường là dung dịch hoặc chất khí) — các phân tử/ion nằm sâu bên trong khối rắn không thể va chạm trực tiếp với chất phản ứng bên ngoài. Khi nghiền nhỏ chất rắn (từ dạng cục lớn thành dạng hạt nhỏ hoặc bột mịn), **tổng diện tích bề mặt tiếp xúc tăng lên rất nhiều dù tổng khối lượng và số mol chất rắn không đổi**. Diện tích bề mặt lớn hơn đồng nghĩa số vị trí có thể xảy ra va chạm giữa chất rắn và chất phản ứng còn lại tăng lên, số va chạm hiệu quả trong một đơn vị thời gian tăng theo, nên tốc độ phản ứng tăng. Cần phân biệt rõ: nghiền nhỏ chỉ thay đổi **hình dạng và diện tích bề mặt** của chất rắn, không làm thay đổi **khối lượng, số mol, hay bản chất hoá học** của nó. Vì vậy lượng sản phẩm cuối cùng thu được (khi phản ứng hoàn toàn) là như nhau ở cả hai trường hợp — chỉ có **thời gian** để đạt được lượng sản phẩm đó là khác nhau.

Cùng khối lượng CaCO3, dạng bột có diện tích bề mặt lớn hơn nên phản ứng với HCl dư hoàn thành nhanh hơn nhiều so với dạng cục.

Ví dụ mẫu

Ví dụ

Giải thích vì sao bột đá vôi phản ứng nhanh hơn cục đá vôi

1
Cho hai mẩu CaCO3 có cùng khối lượng 5 gam: mẩu (1) là một cục nguyên, mẩu (2) đã được nghiền thành bột mịn. Cho cả hai phản ứng với cùng một lượng dung dịch HCl dư. Giải thích vì sao mẩu (2) phản ứng hết nhanh hơn mẩu (1), dù lượng khí CO2 cuối cùng thu được ở cả hai trường hợp là bằng nhau.
2
Cả hai mẩu có cùng khối lượng, cùng số mol CaCO3, cùng nồng độ và thể tích HCl — chỉ khác nhau về diện tích bề mặt tiếp xúc: mẩu (2) dạng bột có tổng diện tích bề mặt lớn hơn mẩu (1) dạng cục rất nhiều.
3
Với dạng bột, số vị trí trên bề mặt CaCO3 tiếp xúc trực tiếp với ion H+ trong dung dịch nhiều hơn hẳn so với dạng cục (nơi phần lớn CaCO3 nằm ẩn bên trong, không tiếp xúc được với dung dịch). Số va chạm hiệu quả giữa H+ và bề mặt CaCO3 trong một đơn vị thời gian ở mẩu (2) lớn hơn mẩu (1) nhiều lần.
4
Vậy mẩu (2) dạng bột phản ứng hết nhanh hơn mẩu (1) dạng cục, dù khối lượng CaCO3 và lượng khí CO2 cuối cùng sinh ra ở cả hai trường hợp là như nhau — chỉ diện tích bề mặt tiếp xúc quyết định tốc độ, không phải lượng chất.

Ví dụ dạng thi

Ví dụ

Tính thể tích khí CO2 ở đkc và so sánh tốc độ trung bình

1
Cho 10,0 gam CaCO3 dạng bột phản ứng hết với dung dịch HCl dư trong 25 giây, tạo khí CO2. Nếu cùng khối lượng CaCO3 đó ở dạng cục phản ứng hết trong 100 giây. Tính thể tích khí CO2 sinh ra ở đkc (25 °C, 1 bar) và tính tốc độ trung bình sinh khí CO2 (theo đơn vị mol/(L·s), coi thể tích dung dịch không đổi là 0,50 lít) ở mỗi trường hợp.
2
PTHH: CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2. Ta có $n_{CaCO_3} = \dfrac{10{,}0}{100} = 0{,}100$ mol (M của CaCO3 = 100 g/mol). Theo PT, tỉ lệ CaCO3 : CO2 = 1 : 1 nên $n_{CO_2} = 0{,}100$ mol. Vì HCl dư nên CaCO3 phản ứng hết — đây là chất giới hạn phản ứng.
PTHH: CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2. Ta có $n_{CaCO_3} = \dfrac{10{,}0}{100} = 0{,}100$ mol (M của CaCO3 = 100 g/mol). Theo PT, tỉ lệ CaCO3 : CO2 = 1 : 1 nên $n_{CO_2} = 0{,}100$ mol. Vì HCl dư nên CaCO3 phản ứng hết — đây là chất giới hạn phản ứng.
3
Ở đkc (25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol theo chương trình 2018): $V_{CO_2} = 0{,}100 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít, xấp xỉ 2,48 lít. (Nếu nhầm dùng đktc cũ 22,4 lít/mol sẽ ra 2,24 lít — hai giá trị khác nhau, phải dùng đúng điều kiện đề cho).
Ở đkc (25 °C, 1 bar, $V_m = 24{,}79$ lít/mol theo chương trình 2018): $V_{CO_2} = 0{,}100 \times 24{,}79 = 2{,}479$ lít, xấp xỉ 2,48 lít. (Nếu nhầm dùng đktc cũ 22,4 lít/mol sẽ ra 2,24 lít — hai giá trị khác nhau, phải dùng đúng điều kiện đề cho).
4
Nồng độ CO2 tương ứng $C = n/V = 0{,}100/0{,}50 = 0{,}200$ mol/L khi phản ứng hoàn tất ở cả hai trường hợp. Với dạng bột: $\bar{v}_{bột} = \dfrac{0{,}200}{25} = 0{,}0080$ mol/(L·s). Với dạng cục: $\bar{v}_{cục} = \dfrac{0{,}200}{100} = 0{,}0020$ mol/(L·s).
Nồng độ CO2 tương ứng $C = n/V = 0{,}100/0{,}50 = 0{,}200$ mol/L khi phản ứng hoàn tất ở cả hai trường hợp. Với dạng bột: $\bar{v}_{bột} = \dfrac{0{,}200}{25} = 0{,}0080$ mol/(L·s). Với dạng cục: $\bar{v}_{cục} = \dfrac{0{,}200}{100} = 0{,}0020$ mol/(L·s).
5
Vậy thể tích CO2 sinh ra là 2,48 lít ở đkc trong cả hai trường hợp (vì cùng số mol CaCO3 phản ứng hết), nhưng tốc độ trung bình dạng bột (0,0080 mol/(L·s)) gấp 4 lần dạng cục (0,0020 mol/(L·s)) — đúng như quy luật diện tích bề mặt ảnh hưởng đến tốc độ, không ảnh hưởng đến lượng sản phẩm.

Sai lầm thường gặp

Một lỗi thường gặp là nghĩ nghiền nhỏ chất rắn làm thay đổi khối lượng hoặc bản chất hoá học của chất đó — thực ra chỉ thay đổi diện tích bề mặt tiếp xúc, khối lượng và số mol chất luôn được bảo toàn. Một lỗi khác là quên dùng đúng $V_m = 24{,}79$ lít/mol ở đkc (chương trình 2018) mà nhầm sang $22{,}4$ lít/mol của đktc cũ.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

Với chất rắn tham gia phản ứng, chỉ bề mặt tiếp xúc mới có thể va chạm hiệu quả với chất phản ứng còn lại. Nghiền nhỏ chất rắn làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, tăng tốc độ phản ứng, nhưng không thay đổi khối lượng, số mol hay lượng sản phẩm cuối cùng — chỉ thay đổi thời gian đạt được lượng sản phẩm đó.

Cầu nối bài sau

Em đã học ba yếu tố nồng độ, áp suất, diện tích bề mặt — Chương 3 sẽ học hai yếu tố còn lại, bắt đầu với yếu tố mạnh nhất: nhiệt độ.