a. Khái niệm tốc độ phản ứng hoá học

– Khi phản ứng hoá học xảy ra, lượng chất đầu giảm dần theo thời gian, trong khi lượng chất sản phẩm tăng dần theo thời gian (Hình 19.1).

Hình 19.1. Sự thay đổi lượng chất theo thời gian

– Tốc độ phản ứng được xác định bằng sự thay đổi lượng chất đầu hoặc chất sản phẩm trong một đơn vị thời gian: giây (s), phút (min). giờ (h), ngày (d),… Lượng phản ứng chất có thể được biểu diễn bằng số mol, nồng độ mol, khối lượng, hoặc thể tích.

– Các phản ứng khác nhau xảy ra với tốc độ khác nhau, có phản ứng xảy ra nhanh, có phản ứng xảy ra chậm (Hình 19.2).

Hình 19.2. Phản ứng xảy ra nhanh: a) Than chảy

Phản ứng xảy ra chậm: b) Sắt bị gi, c) Tinh bột lên men rượu

b. Tốc độ trung bình của phản ứng

– Đa số các phản ứng hoá học có tốc độ giảm dần theo thời gian. Để đặc trưng cho sự nhanh chậm của phản ứng trong một khoảng thời gian, ta dùng tốc độ phản ứng trung bình.

Ví dụ: Xét phản ứng tổng hợp NH₃.

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

– Tại thời điểm t₁, nồng độ N₂, H₂, NH₃ lần lượt là C_N2 (1), C_H2 (1), C_NH3 (1).

– Tại thời điểm t₂, nồng độ N2, H2, NH3 lần lượt là CN2 (2), CH2 (2), CNH3 (2).

– Vậy, trong khoảng thời gian \(\Delta t = {t_2} – {t_1}\), biến thiên nồng độ các chất là:

\(\Delta {C_{{N_2}}} = {C_{{N_2}}}(2) – {C_{{N_2}}}(1)\)

\(\Delta {C_{{H_2}}} = {C_{{H_2}}}(2) – {C_{{H_2}}}(1)\)

\(\Delta {C_{{NH_3}}} = {C_{{NH_3}}}(2) – {C_{{NH_3}}}(1)\)

– Khi phản ứng xảy ra, theo thời gian, nồng độ N₂ và H₂ giảm, nồng độ NH₃ tăng, nên \(\Delta {C_{{N_2}}}\), và \(\Delta {C_{{H_2}}}\) âm, \(\Delta {C_{{NH_3}}}\) dương.

– Từ phương trình hoá học, cho thấy tỉ lệ: cứ 1 mol N₂ phản ứng với 3 mol H₂, sinh ra 2 mol NH₃. Vì vậy:

\( – \Delta {C_{{N_2}}} =  – \frac{1}{3}\Delta {C_{{H_2}}} = \frac{1}{2}\Delta {C_{N{H_3}}}\)

– Tốc độ trung bình của phản ứng được tính theo biểu thức:

\({v_{tb}} =  – \frac{{\Delta {C_{{N_2}}}}}{{\Delta t}} =  – \frac{1}{3}.\frac{{\Delta {C_{{H_2}}}}}{{\Delta t}} = \frac{1}{2}.\frac{{\Delta {C_{N{H_3}}}}}{{\Delta t}}\)

– Đối với phản ứng tổng quát: aA + bB → dD + eE

– Gọi \(\Delta {C_A}\), \(\Delta {C_B}\), \(\Delta {C_D}\), \(\Delta {C_E}\) lần lượt là biến thiên lượng chất các chất A, B, D, E trong khoảng thời gian \({\Delta t}\). Tốc độ trung bình của phản ứng được tính theo biểu thức:

\({v_{tb}} =  – \frac{1}{a}\frac{{\Delta {C_A}}}{{\Delta t}} =  – \frac{1}{b}.\frac{{\Delta {C_B}}}{{\Delta t}} = \frac{1}{d}.\frac{{\Delta {C_D}}}{{\Delta t}} = \frac{1}{e}.\frac{{\Delta {C_E}}}{{\Delta t}}\)

– Tốc độ phản ứng đặc trưng cho sự nhanh chậm của một phản ứng hoá học. – Tốc độ trung bình của phản ứng được tính bằng sự thay đổi lượng chất trong một đơn vị thời gian.

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

– Sự thay đổi nồng độ các chất tham gia sẽ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, thông thường, khi nồng độ tăng tốc độ phản ứng sẽ tăng. Mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng và nồng độ các chất tham gia được xác định bằng thực nghiệm

– Ở nhiệt độ không đồi, tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với tích Số nồng độ các chất phản ứng với số mũ thích hợp. Đối với phản ứng đơn giản (phản ứng chỉ xảy ra qua một giai đoạn), số mũ là hệ số của chất tham gia trong phương trình hoá học.

Ví dụ: Xét phản ứng 2NO + O₂ → 2NO₂ (1)

– Từ thực nghiệm, xác định được mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng (1) và nồng độ các chất tham gia phản ứng:

\(v = k.C_{NO}^2.{C_{{O_2}}}\)

– Trong đó: C_NO và C_o2 là nồng độ mol của NO và O₂ tại thời điểm đang xét, k được gọi là hằng số tốc độ phản ứng; v là tốc độ phản ứng tại thời điểm đang xét.

– Xét tại thời điểm C_NO = 1 M và C_o2 = 1 M, khi đó v = k. Như vậy: hằng số tốc độ k là tốc độ phản ứng khi nồng độ của tất cả các chất đầu đều bằng đơn vị.

– Đại lượng k đặc trưng cho mỗi phản ứng và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng. Giá trị của k được xác định từ thực nghiệm.

– Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng có thể giải thích như sau: trong quá trình phản ứng. các hạt (phân tử, nguyên tử hoặc ion) luôn chuyển động không ngừng và va chạm với nhau. Những va chạm có năng lượng đủ lớn phá vỡ liên kết cũ và hình thành liên kết mới dẫn tới phản ứng hoá học, được gọi là va chạm hiệu quả.

– Khi nồng độ chất phản ứng tăng lên, số va chạm giữa các hạt tăng lên, làm số va chạm hiệu quả cũng tăng lên và dẫn đến tốc độ phản ứng tăng.

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

– Trong hỗn hợp khí, nồng độ mỗi khi tỉ lệ thuận với áp suất của nó. Khi nén hỗn hợp khí (giảm thể tích) thì nồng độ mỗi khi tăng lên (Hình 19.4). Việc tăng áp suất hỗn hợp khí cũng tương tự như tăng nồng độ, sẽ làm tốc độ phản ứng tăng.

Hình 19.4. Mối liên hệ giữa tăng áp suất và tăng nồng độ

– Việc thay đổi áp suất không làm ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng không có chất khi tham gia.

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

– 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.

– Thực nghiệm cho thấy khi tăng nhiệt độ lên 10^oC thì tốc độ phản ứng thường tăng từ 2 đến 4 lần.

– Gọi v_t là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T, V_{T + 10} là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T + 10, khi đó:

\(\frac{{{V_{T + 10}}}}{{{V_T}}} = \gamma \)

– Trong biểu thức trên, \(\gamma \) được gọi là hệ số nhiệt độ Van’t Hoff (Van-Hốp). Giá trị \(\gamma \) càng lớn thì ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng càng mạnh.

Ví dụ: Xét phản ứng của acetone với iodine.

CH₃COCH₃ + I₂ →  CH₃COCH₂I + HI

– Phản ứng có hệ số nhiệt độ \(\gamma \) trong khoảng từ 30°C đến 50^oC là 2,5. Nếu ở 35^oC, phản ứng có tốc độ là 0,036 mol/(L.h) thì ở 45^oC, phản ứng có tốc độ là 0,036.2,5 = 0,09 mol/(L.h).

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

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.

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

– Ảnh hưởng của xúc tác đến tốc độ phản ứng được giải thích dựa vào năng lượng hoạt hoá. Đây là năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho các hạt (nguyên tử, phân tử hoặc ion) để va chạm giữa chúng gây ra phản ứng hoá học.

– Khi có xúc tác, phản ứng sẽ xảy ra qua nhiều giai đoạn. Mỗi giai đoạn đều có năng lượng hoạt hoá thấp hơn so với phản ứng không xúc tác (Hình 19.5). Do đó số hạt có đủ năng lượng hoạt hoá sẽ nhiều hơn, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng lên.

Hình 19.5. Năng lượng hoạt hoá của phản ủng khi không có xúc tác là A và khi có xúc tác với năng lượng hoạt hoả là B, C của các giai đoạn

– Sau phản ứng, khối lượng bản chất hoá học của xúc tác không đồi, tuy nhiên, kích thước, hình dạng hạt, độ xốp,… có thể thay đổi.

– Khi nồng độ chất tan trong dung dịch tăng tốc độ phản ứng tăng. – Đối với phản ứng có sự tham gia của chất khí, khi áp suất tăng tốc độ phản ứng tăng. – Khi nhiệt độ phản ứng tăng dẫn đến số va chạm hiệu quả giữa các chất phản ứng tăng, làm tốc độ phản ứng tăng. – Để tăng tốc độ phản ứng ta có thể tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của chất phản ứng bằng cách làm giảm kích thước hạt rắn hoặc tạo những hạt xốp. – Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng nhưng nó không bị biến đổi về lượng và chất sau phản ứng.

– Trong đời sống và trong sản xuất, con người áp dụng nhiều biện pháp kĩ thuật để thay đồi tốc độ phản ứng như thay đổi nồng độ, nhiệt độ, dùng chất xúc tác,… Ví dụ: Trong hàn xì, đốt acetylene bằng oxygen nguyên chất cháy nhanh và cho nhiệt độ cao hơn khi đốt bằng oxygen trong không khí.

a) Đèn xì oxygen – acetylene        b) Tủ lạnh bảo quản thức ăn           c) Bình dưa muối

Hình 19.7. Một số ứng dụng thay đổi tốc độ phản ứng