PHẦN I: MỞ ĐẦU 1. Lí do chọn đề tài Động hóa học là một ngành khoa học nghiên cứu quy luật xảy ra các quá trình hóa học theo thời gian. Đối tượng của động học hóa học là nghiên cứu về tốc độ của phản ứng hóa học, về những yếu tố có ảnh hưởng đến tốc độ [nồng độ, nhiệt độ, chất xúc tác,…] đồng thời qua đó nghiên cứu về cơ chế của phản ứng hóa học. Trong đó, động hóa học các phản ứng đơn giản chủ yếu nghiên cứu các quy luật động học đơn giản. Mặc dù như vậy, đây là nội dung tương đối khó, mới lạ và trừu tượng đối với một học sinh, sinh viên chưa từng tiếp xúc với nội dung này ở trường trung học phổ thông. Để có thểnắm vững kiến thức và vận dụng kiến thức ấy một cách linh hoạt, chính xác người dạy phải cung cấp cho học sinh những kiến thức cũng như những phương pháp giảibài tập thích hợp với mức độ yêu cầu của học sinh. Là một sinh viên sư phạm với vốn hiểu biết còn hạn chế và cần phải rèn luyện nhiều hơn, tôi chọn đề tài “Động hóa học các phản ứng đơn giản và hệ thống bài tập củng cố, phát triển kiến thức” để cung cấp và làm rõ hơn một phần nội dung của Động hóa học, hướng dẫn giải bài tập góp phần giúp học sinh, sinh viên nắm vững kiến thức và áp dụng để giải các bài tập đưa ra. 2. Mục đích nghiên cứu Hệ thống hóa nội dung kiến thức nội dung động lực học các phản ứng đơn giản, xây dựng được hệ thống bài tập đảm bảo tính logic, khoa học phù hợp với tư duy của người học. 3. Đối tượng nghiên cứu Nội dung kiến thức và bài tập nội dung động lực học các phản ứng đơn giản. 4. Nhiệm vụ nghiên cứu Nghiên cứu lí thuyết về động lực học các phản ứng đơn giản. Thống kê, phân loại các bài tập trong tài liệu, giáo trình và hướng dẫn giải bài tập. Xây dựng hệ thống bài tập củng cố, vận dụng kiến thức về động lực học các phản ứng đơn giản. 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu và phân tích các tài liệu, giáo trình có liên quan. Phương pháp tổng hợp thu thập tài liệu. Phương pháp giải toán hóa học. PHẦN II: NỘI DUNG Chương 1: Tóm tắt lý thuyết 1.1. Cơ sở lý luận của đề tài 1.1.1.Tư duy hóa học Trong thế kỉ XXI, nhiều thay đổi trong giáo dục trên thế giới đã ảnh hưởng đến nền giáo dục Việt Nam. Trong thời đại của nền kinh tế tri thức, cách dạy và cách học cũng thay đổi, việc nhớ tất cả các kiến thức là không thể. Vậy cách học ở đây không còn đơn thuần là học kiến thức cơ bản mà còn là học cách học, học cách tư duy. Khái niệm tư duy được hiểu là quá trình nhận thức, phản ánh những thuộc tính bản chất, những mối quan hệ có tính quy luật của sự vật, hiện tượng. Tư duy giúp ta vận dụng những kiến thức đã tích lũy được để giải quyết những vấn đề liên quan nhờ đó tiết kiệm được công sức. Nhờ tư duy, trình độ hiểu biết của con người cũng nâng cao hơn và làm việc có kết quả tốt hơn. I. N.Tônxtôi đã viết: “Kiến thức chỉ thực sự là kiến thức khi nào nó là thành quả những cố gắng của tư duy chứ không phải của trí nhớ”. Qua quá trình dạy học hóa học, học sinh có thể được trang bị và rèn luyện nhiều loại tư duy trong đó có tư duy logic. Tư duy logic là một trong những kĩ năng không thể thiếu trong lĩnh hội các môn khoa học tự nhiên. Đối với môn hóa học, việc rèn tư duy logic cho học sinh còn là nhiệm vụ quan trọng. Thông qua các bài tập hóa học, học sinh được rèn luyện tư duy logic, điều này được thể hiện rất rõ: Với tư duytoán học thì 1 + 2 = 3.Nhưng với tư duy hóa học thì A + B không phải là phép cộng thuần túy của toán học, mà là xảy ra sự biến đổi nội tại của các chất để tạo thành chất mới. 1.1.2.Phát triển tư duy cho học sinh thông qua hệ thống bài tập. Việc phát triển tư duy cho học sinh trước hết là giúp cho học sinh nắm vững kiếnthức, biết vận dụng kiến thức vào việc giải bài tập và thực hành qua đó mà kiến thức học sinh thu nhận được trở nên vững chắc và sinh động hơn. Học sinh chỉ thực sự lĩnh hội được tri thức khi tư duy của họ được phát triển và nhờ sự hướng dẫn của giáo viên mà học sinh biết phân tích, khái quát tài liệu có nội dung sự kiện cụ thể và rút ra những kết luận cần thiết, giải được các bài tập vận dụng. Trong học tập hóa học, một trong những hoạt động chủ yếu để phát triển tư duy cho học sinh là hoạt động giải bài tập. Thông qua hoạt động giải bài tập sẽ giúp cho tư duy được rèn luyện và phát triển thường xuyên, đúng hướng. Từ đó nâng cao tầm hiểu biết và hứng thú với môn học nhiều hơn. 1.2.Một số khái niệm cơ bản 1.2.1.Động hóa học Động hóa học là một nghành trong hóa lí nhằm nghiên cứu tốc độ diễn biến của phản ứng hóa học và sự phụ thuộc của tốc độ đó vào các yếu tố khác nhau [nồng độ chất phản ứng, nhiệt độ, chất xúc tác…] đồng thời qua đó nghiên cứu cơ chế của phản ứng hóa học. 1.2.2.Tốc độ phản ứng Tốc độ của phản ứng hóa học là biến thiên nồng độ chất đã cho [chất tham gia phản ứng hay chất hình thành trong phản ứng] trong một đơn vị thời gian. Nếu điều kiện bên ngoài không đổi thì tốc độ của phản ứng cũng không phải được giữ nguyên mà có thay đổi theo thời gian: cùng với sự mất đi của chất đầu, tốc độ của phản ứng sẽ giảm đi khi thời gian tăng lên. Sơ đồ biểu thị sự phụ thuộc: Cách biểu thị tốc độ phản ứng: Giả sử phản ứng: A → B t=0 C1 0 tC2 C2 Tốc độ trung bình: vtb = ± =± ∆ ∆ Tốc độ tức thời: vtt= ± Xét phản ứng: v=- = ± lim[ aA + bB →cC + dD . ∆ ] ∆ =- . =+ . =+ . 1.2.3.Phương trình động học và hằng số tốc độ phản ứng Phương trình động học của phản ứng là phương trình biểu diễn sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ của các chất phản ứng. Xét phản ứng: aA + bB → sp − Đối với phản ứng đơn giản: v = k. . − Đối với phản ứng bất kì: v = k. . → Ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng tỉ lệ với tích nồng độ có số mũ tương ứng. Nếu = = 1 thì k = v. Vậy hằng số tốc độ phản ứng k là tốc dộ của phản ứng khi nồng độ của các chất tham gia phản ứng được lấy bằng nhau và bằng đơn vị [=1]. Do đó, hằng số tốc độ phản ứng k còn gọi là tốc độ riêng của phản ứng. 1.2.4.Bậc phản ứng và phân tử số phản ứng Xét phản ứng: aA + bB → sp v = k. . Với: n1, n2 là bậc phản ứng riêng của A và B. n = n1 + n2 là bậc của phản ứng. Bậc phản ứng của một chất là số mũ nồng độ của chất đó có trong biểu thức định luật tác dụng khối lượng. Bậc phản ứng của phản ứng là tổng số mũ nồng độ của các chất có trong biểu thức định luật tác dụng khối lượng. Dựa vào bậc phản ứng người ta phân loại phản ứng: +] n = 0: Phản ứng bậc 0 v = k. = k +] n = 1: Phản ứng bậc 1 v = k.C +] n = 2: Phản ứng bậc 2 v = k. = k. . +] n = 3: Phản ứng bậc 3 v = k. [Chỉ xét trường hợp đơn giản] 1.3.Các quy luật động học đơn giản 1.3.1.Phản ứng bậc 1 Các phản ứng thường gặp: CH3N2CH3→ C2H6 + N2 N2O5→ N2O4 + ½O2 CH3OCH3→ CH4 + CO + H2 a] Phương trình động học A t = 0: →sp a t: a-x 0 x Với a: nồng độ ban đầu của chất A. a - x: nồng độ ở thời điểm t của chất A. →v = → =- = k.[a-x] [] = = k.CA [*] Tích phân [*], ta được: k = .ln b] Thời gian nửa phản ứng [t1/2] là thời gian cần thiết để một nửa phản ứng được thực hiện [mất một nửa còn một nửa]. Khi đó: a-x = a/2 Vậy: k = → / = / .ln / Như vậy, trong một phản ứng bậc nhất, thời gian bán phản ứng tỉlệnghịch với hằng số vận tốc k và không phụ thuộc vào nồng độ các chất ban đầu. c] Đơn vị hằng số tốc độ phản ứng Khi phản ứng là bậc 1 đối với A, áp dụng định luật tác dụng khối lượng cho phản ứng bậc một và định nghĩa của tốc độ phản ứng ta thu được phương trình động học của phản ứng bậc 1: k = .ln Như vậy, trong phản ứng bậc 1 nồng độ chất phản ứng giảm theo thời gian dưới dạng hàm mũ. Đơn vị: [thời gian]-1 *] Lưu ý: Quá trình phân rã phóng xạ cũng xảy ra theo quy luật động học bậc 1: k = .ln ↔λ= .ln Với:k là hằng số tốc độ phân rã phóng xạ [thường kí hiệu là λ]. N0 là số hạt nhân ban đầu của đồng vị phóng xạ [t=0]. N là số hạt nhân của đồng vị phóng xạ ban đầu còn lại ở thời điểm t. Giá trị thời gian nửa phản ứng t1/2 thường gọi là chu kì bán rã. Đó là thời gian để 50% số hạt nhân ban đầu bị phân rã để tạo ra hạt nhân khác. 1.3.2. Phản ứng bậc 2 Các phản ứng thường gặp: CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH 2HI → H2 + I2 *]Trường hợp nồng độ hai tác chất lúc đầu khác nhau Phương trình động học A t=0: + B → sp a b t: a – x b – x 0 x Với a, b: nồng độ ban đầu của chất A, B. a - x, b - x: nồng độ ở thời điểm t của chất A, B. →v = hay = k.CA.CB = k.[a-x].[b-x] = k.dt [**] [].[ ] Tích phân [**], ta được: k= k= .ln [] [ ] [ ] [ ] .ln [ ] [] nếu a > b [1] nếu a < b *] Trường hợp nồng độ hai tác chất lúc đầu bằng nhau a] Phương trình động học A t = 0: + a t: B → sp a 0 a–x a–x x với a: nồng độ ban đầu của chất A, B. a - x: nồng độ ở thời điểm t của chất A, B. →v = hay = k.CA.CB = k.[a-x]2 = k.dt [**] [] Tích phân [**], ta được: k = .[ − ] [2] b] Thời gian bán phản ứng Khi đó: a-x = a/2 Vậy: k = .[ - ] / / → / = . c] Đơn vị hằng số tốc độ phản ứng Từ các biểu thức [1] và [2] ta thấy hằng số tốc độ phản ứng một chiều bậc 2 có thứ nguyên là: [nồng độ]-1.[thời gian]-1 Như vậy, thời gian nửa phản ứng của phản ứng bậc 2 tỉ lệ nghịch với nồng độ đầu của chất phản ứng. 1.3.3. Phản ứng bậc 3 Các phản ứng thường gặp: 2NO + O2→ 2NO2 2NO + Cl2→ 2NOCl 2NO + 2H2→ N2 + 2H2O a] Phản ứng bậc 3 có dạng tổng quát: A + B + C → sản phẩm t = 0: t: a a a 0 a–x a–x a-x x Với: a: nồng độ ban đầu của chất A, B, C. a - x: nồng độ ở thời điểm t của chất A, B, C. →v = → = k.CA.CB.CC = k.[a-x]3 = k.[a-x]3 hay []" = k.dt [***] Tích phân [***]. Ta được: k= .[ [] − ] [3] b] Thời gian bán phản ứng Khi đó: a-x = a/2 Vậy: k = .[ # ./ → / = - ] . . c] Đơn vị hằng số tốc độ phản ứng Từ các biểu thức [3] ta thấy hằng số tốc độ phản ứng một chiều bậc 3 có thứ nguyên là: [nồng độ]-2.[thời gian]-1 Như vậy, thời gian nửa phản ứng của phản ứng bậc 3 tỉ lệ nghịch với bình phương nồng độ đầu của chất phản ứng. 1.3.4.Phản ứng bậc 0 Phản ứng bậc 0 là những phản ứng mà tốc độ của nó không phụ thuộc vào nồng độ của các chất tham gia phản ứng. Phương trình động học ở dạng tích phân của phản ứng bậc 0: k= 1.3.5.Phản ứng một chiều bậc n Phản ứng một chiều bậc n có nhiều dạng nhưng ta xét 2 dạng tổng quát sau: nA → sp A + B + C + … → sp Với nồng độ các chất tham gia phản ứng bằng nhau và đều bằng a. Phương trình động học ở dạng vi phân của phản ứng một chiều bậc n: = k.[a-x]n Phương trình động học ở dạng tích phân của phản ứng một chiều bậc n: k= [] .[ []%& − ] %& 1.3.Phương pháp xác định bậc phản ứng a] Phương pháp thế Xác định nồng độ của một chất nào đó ở những thời điểm khác nhau, rồi đem thế các dữ kiện thực nghiệm thu được vào phương trình động học của phản ứng bậc nhất, bậc hai,...để xem phương trình nào cho hằng số tốc độ có giá trị không đổi thì phản ứng có bậc như giả thiết. b] Phương pháp đồ thị Biểu diễn sự phụ thuộc của hàm số nồng độ f[c] theo thời gian t bằng đồ thị rồi tìm xem dạng hàm số nào có đường biểu diễn là một đường thẳng thì phản ứng có bậc như giả thiết. c] Phương pháp nồng độ đầu Biểu thức v = k. . cho phép đưa ra một phương pháp phổ biến dùng để xác định bậc phản ứng. Để xác định bậc riêng phần của một chất phản ứng nào đó người ta xác định biến thiên tốc độ phản ứng khi thay đổi nồng độ đầu của chất đã cho, đồng thời cố định nồng độ đầu của các chất phản ứng khác và các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. d] Phương pháp thời gian nửa phản ứng. Dựa vào sự phụ thuộc thời gian phản ứng bán phản ứng vào nồng độ đầu có thể xác định được bậc phản ứng đối với A: − Thời gian nửa phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ đầu thì bậc phản ứng là 0. − Thời gian nửa phản ứng không phụ thuộc vào nồng độ đầu thì bậc phản ứng là 1. − Thời gian nửa phản ứng tỉ lệ nghịch với nồng đầu của chất phản ứng thì bậc phản ứng là 2. − Thời gian nửa phản ứng tỉ lệ nghịch với bình phương nồng độ đầu của chất phản ứng thì bậc của phản ứng là 3. Chương 2: Bài tập có hướng dẫn giải Bài 1: Sự phân hủy N2O5:[2N2O5→ 2N2O4 + O2] tuân theo quy luật động học của phản ứng bậc 1 với hằng số tốc độ k = 0,002 phút-1. Hỏi có bao nhiêu phần trăm N2O5 bị phân hủy sau 2 giờ? Giải: Hằng số tốc độ của phản ứng bậc 1 không phụ thuộc vào cách biểu diễn nồng độ, do đó đặt a=100 thì: '' '' k = .ln Áp dụng các dữ kiện của bài, ta có: 0,002= .[' .ln '' '' → x = 21,35% Bài 2: Để xác định bậc của phản ứng: 2C2H5-OH + 2Br2→ CH3COOC2H5 + 4HBr Người ta làm hai thí nghiện với kết quả như sau: Thí nghiệm I Nồng độ brom [mol/l] 4,24.10-3 2,12.10-3 II 8,14.10-3 4,07.10-3 Xác định bậc của phản ứng trên khi dùng dư rượu etylic. Thời gian [giờ] 0 11,1 0 12,5 Giải: Nhận thấy: Cả hai thí nghiệm thời gian phản ứng đều ứng với nửa lượng chất đầu đã mất đi trong quá trình phản ứng. Do đó, thời gian 11,1 giờ và 12,5 giờ chính là thời gian nửa phản ứng ứng với hai thí nghiệm. Áp dụng công thức: →n -1= =[ ]*+[ ]]*+ [ ] ]*+[ ]]*+ [ ] n-1 ] →n= = ]*+[ ]]*+ [ ] + ]*+[ ]]*+ [ ] 1 ]*+[,]]*+ [,-] + ]*+[.,#.'&" ]]*+ [#,#.'&" ] 1 = 0,8179≈ 1 Vậy phản ứng trên là phản ứng bậc 1. Bài 3: Sự phân hủy axeton diễn ra theo phương trình : CH3COCH3 → C2H4 + H2 + CO Theo thời gian phản ứng, áp suất chung của hệ đo được như sau : t [phút] 0 6,5 13 -2 p [ N.m ] 312 408 448 Hãy chứng tỏ phản ứng là bậc 1 và tính hằng số tốc độ của phản ứng. 19,9 562 Giải: Giả sử phản ứng trên là phản ứng bậc 1, vì vậy phản ứng tuân theo quy luật động học của phản ứng bậc 1. Áp dụng công thức tính hằng số tốc độ phản ứng, ta có : k = .ln Vì áp suất tỉ lệ với nồng độ chất nên: / / k = .ln Ta có: CH3COCH3 → C2H4 + H2 + CO t= 0: t: Po 0 0 0 Po-x x x x Áp suất chung của hệ : P = Po-x+x+x+x=Po+2x →x= // Vậy Po-x = / / / / / Vậy biểu thức tính k trở thành : k = .ln [*] Thay các giá trị của bảng vào [*] ta được: k1 = k2 = [,- .ln k3 = .ln . .#'. . .#.. .ln 0,0 = 0,0257 [phút-1] = 0,0255 [phút-1] . .-[ = 0,0257 [phút-1] Nhận thấy các giá trị k1≈ k2≈ k3≈ 0,0257 nên phản ứng trên là bậc 1 như giả thiết. Vậy hằng số tốc độ của phản ứng là: 0,0257 [phút-1] Bài4:Trong một phản ứng bậc nhất tiến hành ở 27oC. Nồng độ chất đầu giảm đi một nửa sau 5000 giây. Ở 37oC, nồng độ chất đầu giảm đi một nửa sau 1000 giây. Tính hằng số tốc độ phản ứng ở 27oC, 37oC. Giải: Vì là phản ứng bậc 1, ta áp dụng công thức tính thời gian nửa phản ứng sau: / = Ở27oC: k = Ở37oC: k = / ]1 2/ / →k= = = ]1 -''' ''' = 1,39.10-4 [s-1] = 6,93.10-4 [s-1] Vậy ở 27oC và 37oC hằng số tốc độ của phản ứng lần lượt là: 1,39.10-4 và6,93.10-4 [s-1]. Bài 5:Phản ứng phân hủy N2O5 ở 45oC diễn ra theo phản ứng: N2O5→ N2O4 +1/2O2 Có hằng số tốc độ k = 1,2.10-2 s-1. a] Ở nhiệt độ này người ta cho vào bình phản ứng N2O5 dưới áp suất 0,13atm. Hãy tính tốc độ đầu của phản ứng. b] Tính thời gian để 80% N2O5 bị phân hủy. Giải: a] Giả thiết khí N2O5 là khí lí tưởng. Áp dụng phương trình trạng thái khí lí tưởng cho khí N2O5 ta có: 34 = = / 5 6.7 = ', ','... = 0,005M Từ thứ nguyên của k ta thấy phản ứng tuân theo quy luật của phản ứng bậc 1. Vậy v = k.C = 1,2.10-2.0,005 = 6.10-5 [mol-1.l.s-1] b] 85% N2O5 bị phân hủy. Vậy lượng N2O5 còn lại là: 0,005.20% = 0,001M Áp dụng biểu thức động học của phản ứng bậc 1, ta có: k = .ln →t = .ln = ',''- .ln = ,.'& ','' 134 [s] Vậy thời gian để 85% N2O5 bị phân hủy là 134 [s]. Bài 6: Thời gian bán hủy của một phản ứng là 2,6 năm. Các chất có nồng độ đầu là 0,25M. Nồng độ các chất này bằng bao nhiêu sau 9,9 năm nếu phản ứng là bậc 1. Giải: Áp dụng công thức tính thời gian nửa phản ứng của phản ứng bậc 1, ta có: / = ↔k= / = ,[ = 0,2667 [năm-1] Mặt khác, ta có: k = .ln Từ [*], ta có: a-x = ',- 8 9: = [*] 8 ;, = 0,01783M Vậy sau thời gian 9,9 năm nồng độ các chất này còn: 0,01783M Bài 7:Chu kì bán hủy của N2O5 là 5,7giờ. Tính hằng số tốc độ phản ứng và thời gian cần thiết để hết 75% và 87% lượng chất ban đầu nếu phản ứng là bậc 1. Giải: Vì phản ứng là bậc 1, ta có: k= / = -,? = 0,1216 giờ-1 Thời gian để phản ứng hết 75% lượng chất ban đầu là: t = .ln ',[ = 11,4 giờ. ',- Thời gian để phản ứng hết 87% lượng chất ban đầu là: t= .ln ',[ ', = 16,78 giờ. Vậy thời gian để phản ứng hết 75%, 87% lượng chất ban đầu lần lượt là: 11,4 và 16,78 giờ. Bài8:Lượng chất phóng xạ Poloni sau 14 ngày giảm đi 6,85% so với lượng ban đầu. Biết phản ứng phóng xạ là bậc 1. Tính hằng số tốc độ phản ứng và chu kì bán hủy của Poloni? Giải: Vì đây là phản ứng bậc 1, ta có phương trình động học của phản ứng bậc 1: λ = .ln = .ln[ # [','[.-] ] = 5,07.10-3 [ngày-1] Áp dụng công thức tính chu kì bán hủy của phản ứng bậc 1: / = λ -,'?.'&" = = 136,7 ngày. Vậy chu kì bán hủy của phản ứng phóng xạ trên là 136,7 ngày. Bài 9:Cho phản ứng: [CH3]2O → CH4 + CO + H2 [Phản ứng là bậc 1] Lúc đầu chỉ có [CH3]2O với áp suất trong bình là P0 = 300,0 mmHg. Sau 10 giây áp suất trong bình P = 308,1 mmHg. Tính hằng số tốc độ k và thời gian nửa phản ứng. Giải: [CH3]2O → CH4 + CO + H2 Áp suất lúc đầu: P0 0 0 0 Áp suất sau 10s: P0-x x x x Áp suất của hệ sau phản ứng: P = P0 – x + x + x = P0 + 2x →x= // → Po – x = / / Vì đây là phản ứng bậc 1nên k không phụ thuộc vào nồng độ, mặt khác áp suất tỉ @ 2 @A lệ với nồng độ nên: k = .ln / / / →k = .ln = .ln ' BC 2 BC A = .ln .'' .'''., = 1,36.10-3 [s-1] Áp dụng công thức tính thời gian nửa phản ứng, ta có: t/ = ]1 E = ]1 ,[.'&" = 510 [s] Vậy hằng số tốc độ của phản ứng là 1,36.10-3 [s-1], thời gian nửa phản ứng là 510[s]. Bài 10: Ta có phản ứng: 2H2O2 → 2H2O + O2 Theo dõi tốc độ phản ứng này bằng cách định phân dung dịch H2O2 với các thể tích bằng nhau của H2O2 bằng dung dịch KMnO4 thu được kết quả sau: t [phút] 0 10 20 30 Thể tích KMnO4 [ml] 22,8 13,8 8,25 5,00 Xác định bậc phản ứng và hằng số tốc độ k. Giải: Giả sử phản ứng trên là phản ứng bậc 1, ta có: @ 2 @A k = .ln Vì hằng số tốc độ của phản ứng bậc 1 không phụ thuộc cách biểu thị nồng độ nên có thể thay nồng độ đầu a bằng thể tích KMnO4 dùng để chuẩn độ H2O2 ở thời điểm t=0. Còn giá trị a- x được thay bằng thể tích KMnO4 dùng để chuẩn độ H2O2 ở thời điểm t. Vậy, ta có: k1 = k2 = k3 = .ln ,. ' ,. ,. .ln ' .,- ,. .ln ' - = 0,0502 [phút-1] = 0,0508 [phút-1] = 0,0506 [phút-1] Nhận thấy: Các giá trị thu được 0,0506 [phút-1] xấp xỉ gần bằng nhau. Vậy: Phản ứng trên là phản ứng bậc 1 như giả thiết. Từ kết quả hằng số tốc độ của phản ứng là: 0,0505 [phút-1]. Bài 11:Sự phân hủy etan: C2H6→ C2H4 + H2 Ở 856K được theo dõi vào sự biến thiên áp suất chung P của hệ theo thời gian ở thể tích cố định. Ta có bảng sau: t [s] 0 29 50 64 84 P [mmHg] 384 390 394 396 400 Bằng đồ thị hãy chứng tỏ phản ứng trên là phản ứng bậc 1. 114 405 134 408 Giải: Giả sử phản ứng trên là phản ứng bậc 1 nên phản ứng tuân theo quy luật động học của phản ứng bậc 1. Vì đây là phản ứng bậc 1nên k không phụ thuộc vào nồng độ, mặt khác áp suất tỉ @ 2 @A lệ với nồng độ nên: k = .ln BC 2 BC A = .ln Phương trình phản ứng: C2 H 6 → C2 H 4 + H 2 t=0: Po 0 0 [ ] Po –x x x Tại thời điểm t: P = Po– x + x+ x= Po+ x → x = P - Po → Po – x = 2Po -P BC 2 BC B Vậy : k = .ln hay kt = ln BC BC B → kt = lnPo – ln[2Po – P] hay ln[2Po – P] = lnPo - kt Từ đây, ta thấy: Nếu phản ứng trên là phản ứng bậc 1 thì đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ln[2Po-P] vào thời gian t là một đường thẳng. Thực vậy, dựa vào số liệu trên ta thu được đồ thị có dạng sau: ln[2Po-P] = lnPo - kt 5.94 5.93 y = -0.000x + 5.948 R² = 0.998 5.92 5.91 5.9 5.89 5.88 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Nhìn vào đồ thị ta thấy nó có dạng đường thẳng. Vậy phản ứng trên là phản ứng bậc hai như giả thiết với k = 0,0005 phút-1. Bài 12:Trong 10 phút, phản ứng giữa hai chất xảy ra hết 25% lượng chất ban đầu. Tính t1/2 của phản ứng bậc 2 khi nồng độ hai chất đầu bằng nhau? Giải: Áp dụng công thức của phản ứng một chiều bậc hai có nồng độ các chất đầu bằng nhau, ta có: k = .[ →k= 2 @A .[ ' − ] @
− ]= @ @',[email protected] '[email protected]
[email protected]
=[email protected] ";.F
@ ',[[email protected]
= 0,051 [phút] Thời gian để phản ứng hết 60% lượng chất ban đầu là: @ E @A t = .ln =@ .ln = 17,97 [phút] ','- ',#[email protected]
− ] = .[ − ]= @A ' ',[[email protected] [email protected] @ @
Thời gian để phản ứng hét 60% lượng chất ban đầu là: t = .[ E @−A − 1 a 4.F ]= .[ − ] = 22,5 [phút]. @ ',#@ Vậy thời gian để phản ứng bậc 1 hết 60% là 17,97 phút, thời gian để phản ứng bậc 2 hết 60% là 22,5 phút. Bài 14: Hằng số tốc độ phản ứng xà phòng hóa etylaxetat tại 283K là 2,38 [l.đlg .phút-1]. Tính thời gian cần thiết để xà phòng hóa hết 50% lượng etylaxetat ở nhiệt độ trên nếu trộn 1 lít etylaxetat 1/20N với: a] 1 lít dung dịch xút 1/20N. b] 1 lít dung dịch xút 1/10N. -1 Giải: Dựa vào đơn vị của hằng số tốc độ phản ứng ta thấy: phản ứng là phản ứng bậc 2. a] Khi trộn 1 lít etylaxetat 1/20N với 1 lít dung dịch xút 1/20N, ta có: CAo = CBo = = 0,025N. #' Thời gian cần thiết để xà phòng hóa hết 50% lượng etylaxetat chính là thời gian nửa phản ứng. Áp dụng công thức tính thời gian nửa phản ứng: t/ = E.IC J = ,..','- = 16,8 [phút] b] Khi trộn 1 lít etylaxetat 1/20N với 1 lít dung dịch xút 1/10N, ta có: CAo≠ CBo CAo = #' = 0,025N = a; CBo = ' = 0,05N = b. Khi nồng độ hai chất đầu khác nhau, ta có: k= .ln 2[K@] @[KA] K[@A] Vậy, thời gian nửa phản ứng của phản ứng trên là: t= = .ln E.[K@] @[KA] K[@A] .ln ,..[','-','-] ','-.[','-','-.',-] ','-.[','-','-.',-] = 6,8 [phút]. 0 Bài 15:Người ta nghiên cứu phản ứng xà phòng hóa etyl fomat bằng NaOH ở 25 C: HCOOC2H5 + NaOH → HCOONa + C2H5OH Nồng độ ban đầu của NaOH và của este đều bằng 0,01M. Lượng etanol được tạo thành theo thời gian được biểu diễn trong bảng sau: t [s] 0 180 240 300 360 [C2H5OH] [M] 2,6.10-3 0 3,17.10-3 3,66.10-3 4,11.10-3 a] Chứng minh rằng bậc của phản ứng bằng 2. b] Tính hằng số tốc độ phản ứng ở 250C. Giải: a] Gọi nồng độ ban đầu của NaOH và este là a: [NaOH] = [este] = a [M] Gọi nồng độ etanol được tạo thành ở thời điểm t là x, theo bài ra ta có : HCOOC2H5 + NaOH → HCOONa + C2H5OH t=0 t a a a-x 0 a-x 0 x x Giả sử phản ứng trên là phản ứng bậc 2, phương trình động học dạng tích phân của phản ứng là : k = .[ k1 = k2 = .[ .' .[ #' ?,#.'&" − ] − [,..'&" ] = 0,195 mol-1.l.s-1 ',' − ] = 0,193 mol-1.l.s-1 ',' k3 = k4 = .[ '' [,#.'&" .[ −3 [' 5,89.10 − − ] = 0,192 mol-1.l.s-1 ',' 1 ] = 0,194 mol-1.l.s-1 0,01 Từ các dữ kiện của bài toán ta có bảng sau : t[s] 0 180 240 300 360 x 0 2,6.10-3 3,17.10-3 3,66.10-3 4,11.10-3 a-x 0,01 7,4.10-3 6,83.10-3 6,34.10-3 5,89.10-3 0,195 0,193 0,192 0,194 k[mol-1.l.s-1] Nhận xét: Các giá trị của hằng số tốc độ k ở các thời điểm khác nhau không nhiều, do đó giả thiết phản ứng bậc hai là đúng. Vậy đây là phương trình phản ứng một chiều bậc 2. b] Từ các giá trị thu được chúng ta xác định được hằng số tốc độ của phản ứng : E SE SE" SET kR = # = ',0-S',0S',0S',0# # = 0,1935 mol-1.l.s-1 Bài 16: Smith và Lorensen đã khảo sát sự thủy phân axetyl axeta trong môi trường kiềm ở 30oC. CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH Nồng độ đầu của hai chất đều bằng 0,05M. Theo dõi sự giảm nồng độ este x theo thời gian, hai ông thu được kết quả như sau: t [phút] 4 9 15 24 37 53 83 x.103 5,91 11,42 16,3 22,07 27,17 31,47 36,44 Bằng đồ thị hãy chứng tỏ bậc của phản ứng bằng 2. Xác định hằng số tốc độ theo phương pháp đồ thị và phương pháp giải tích. Giải: Giả sử phản ứng trên là phản ứng bậc 2. Khi đó: 2 k = .[ − ] →kt = − @A @ hay = kt + @ Phương pháp đồ thị: Nếu phản ứng trên là phản ứng bậc 2 thì đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của thời gian t là một đường thẳng. Thực vậy ta thu được đồ thị có dạng đường thẳng như sau: 1/[a-x] = kt + 1/a 80 70 60 y = 0.627x + 20.40 R² = 0.999 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Vậy phản ứng trên là phản ứng bậc 2. Dựa vào phương trình thu được từ đồ thị ta có thể thấy: k =0,6274 [mol-1.l.phút-1] Theo phương pháp giải tích: k = .[ − ] @ Thay các giá trị có được vào công thức trên, ta có: # ','--,0.'&" k1 = .[ k2 = .[ − &" − 0 ','-,#.' k3 = .[ &" − - ','-[,.' k4 = .[ −3 2# 0,05−22,07.10 ] = 0,67022[mol-1.l.phút-1] ','- − ] = 0,65779[mol-1.l.phút-1] ',' ] = 0,64491[mol-1.l.phút-1] ','- 1 ] = 0,65849[mol-1.l.phút-1] 0,05 @A vào k5 = k6 = k7 = .[ ? ','-?,?.'&" .[ - − ','-,#?.'&" .[ − . ','-[,##.' &" − ] = 0,64329[mol-1.l.phút-1] ',' ] = 0,64088[mol-1.l.phút-1] ','- ] = 0,64755[mol-1.l.phút-1] ','- Từ các kết quả trên ta thấy các giá trị k xấp xỉ gần bằng nhau, nên phản ứng trên là phản ứng bậc 2. kR = = S S " S T S 4 S < S = ? ',[?'S',[-??0S',[##0S',[-.#0S',[#0S',[#'..S',[#?-? -1 -1 = 0,6519[mol .l.phút ] Bài 17: Axit fomic sẽ khử tropeolin với sự có mặt của xúc tác Pt theo phản ứng: HSO3-C6H4-N=N-C6H3[OH]2 + 4HCOOH → Sp Dưới đây là kết quả đo được sự biến thiên nồng độ tropeolin theo thời gian: t [phút] 1 3 6 10 14 20 26 33 C.10-2 5 4,7 4,25 3,76 3,30 2,60 2 0,94 Hãy chứng tỏ phản ứng diễn ra theo bậc không. Giải: Giả thiết phản ứng trên là phản ứng bậc không. Ta có biểu thức: k = A 2 Biểu diễn sự biến thiên nồng độ tropeolin theo thời gian bằng đồ thị. Nếu đồ thị thu được là một đường thẳng thì phản ứng trên là phản ứng bậc không và xảy ra không theo tỉ lệ hợp thức. k = x/t 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Đồ thị là một đường thẳng. Vậy phản ứng trên là phản ứng bậc không như giả thiết. Bài 18:Bằng thực nghiệm người ta đó thu được những số liệu của phản ứng giữa NO và H2 ở nhiệt độ 7000C như sau : 2NO[k] + 2H2[k] → 2H2O[k] + N2[k] TN [H2], M [NO], M Tốc độ ban đầu, M.s-1 1 0,010 0,025 v1=2,4.10-6 2 0,0050 0,025 v2=1,2.10-6 3 0,010 0,0125 v3=0,60.10-6 a] Xác định phương trình động học và bậc của phản ứng. b] Xác định hằng số tốc độ phản ứng. Giải: a] Nhận thấy: để xác định bậc riêng của phản ứng của mỗi chất người ta cố định nồng độ của một chất và thay đổi nồng độ của chất còn lại. Gọi m, n lần lượt là bậc phản ứng riêng phần của H2 và NO. Ta có: v = k.[H2]m.[NO]n W E.[Y ][ .[\]]^ .[',']_ .[','-]% ,#.'&< = = = =2 W E.[Y ][ .[\]]^ .[',''-]_ .[','-]% ,.'&< → m = 1. ` `" = E.[Y ][ .[\]]^ E.[Y ][ .[\]]^ = E.[','][ .[','-]^ E.[','][ .[','-]^ = ,#.'&< ',[.'&< =4 → n = 2. Vậy bậc phản ứng riêng phần của H2 và NO lần lượt là 1 và 2. →Bậc phản ứng là:1+2 = 3 →Phương trình động học của phản ứng: v = k.[H2].[NO]2 b] Tính hằng số tốc độ phản ứng: Phương trình động học của phản ứng là: v = k.[H2].[NO]2 →k= Vậy: k1 =W [Y ].[\]] ,#.'&