Tốc độ phản ứng là gì?
Tốc độ phản ứng là đại lượng đặc trưng cho độ biến thiên nồng độ của một trong các chất phản ứng hoặc sản phảm ứng trong một đơn vị thời gian.Trong đó theo quy ước: nồng độ theo mol/lít, thời gian có thể là giây (s), phút (ph), giờ (h)...
Công thức tính tốc độ phản ứng
Công thức tính tốc độ trung bình $\overline{v}$ của phản ứng hóa học là tốc độ biến thiên trung bình nồng độ của một chất trong khoảng thời gian t1 đến t2$\overline{v} = \dfrac{|△C|}{△t}$
- Theo chết tham gia phản ứng:
$\overline{v} = \dfrac{-△C}{△t} = \dfrac{C_1 - C_2}{t_2 - t_1}$ mol/l.s
- Theo chất sản phẩm:
$\overline{v} = \dfrac{△C}{△t} = \dfrac{C_1 - C_2}{t_2 - t_1}$ mol/l.s
- Đối với phản ứng tổng quát dạng:
aA + bB → cC + dD
Biểu thức tính tốc độ phản ứng:
$\dfrac{|△C_A|}{a△t} = \dfrac{|△C_B|}{b△t} = \dfrac{|△C_C|}{c△t} = \dfrac{|△C_D|}{d△t}$
Các yếu tố ảnh hướng đến tốc độ phản ứng
1. Ảnh hưởng của nồng độ
Khi nồng độ chất phản ứng tăng thì tốc độ phản ứng tăng.Ví dụ: khi đun bếp bằng củi, nếu làm thoáng bếp thì lượng khí oxi vào sẽ nhiều (nồng độ oxi tăng) do đó lửa sẽ cháy to hơn.
2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
- Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng tăng.- Giải thích: khi nhiệt độ phản ứng tăng dẫn đến hai hệ quả sau:
+ Tốc độ chuyển động của các phân tử tăng, dẫn đến tần số va chạm giữa các chất phản ứng tăng.
+ Tần số va chạm có hiệu quả giữa các chất phản ứng tăng nhanh. Đây là yếu tố chính làm cho tốc độ phản ứng tăng nhanh khi tăng nhiệt độ.
3. Ảnh hưởng của áp suất
- Đối với phản ứng có chất khi tham gia, khi áp suất tăng (nồng độ chất khí tăng), tốc độ phản ứng tăng.- Khi tăng áp suất, khoảng cách giữa các phân tử càng nhỏ, nên sự va chạm càng dễ có hiệu quả hơn, phản ứng xảy ra nhanh hơn.
Ví dụ: nấu thức ăn trong nồi áp suất, thức ăn chín nhanh hơn khi nấu ở nồi thường.
4. Ảnh hưởng diện tích bề mặt tiếp xúc
Đối với phản ứng có chất rắn tham gia, khi diện tích bề mặt tăng, tốc độ phản ứng tăng.Ví dụ: chẻ nhỏ củi, đập nhỏ than để đốt sẽ làm tăng diện tích tiếp xúc của củi, than. Do đó bếp cháy to hơn.
5. Ảnh hưởng của chất xúc tác
- Chất xúc tác là chất có tác dụng làm biến đổi mãnh liệt tốc độ của phản ứng nhưng không bị tiêu hao trong phản ứng.- Những chất xúc tác xúc tiến cho quá trình xảy ra nhanh hơn là chất xúc tác dương. Trong kĩ thuật hiện đại xúc tác dương được sử dụng rộng rãi.
- Những chất xúc tác làm quá trình diễn ra chậm lại là chất xúc tác âm.
Ví dụ: Xét phản ứng: 2H2O2 → 2H2O + O2
Nếu thêm chất xúc tác MnO2 vào phản ứng → bọt oxi sẽ thoát ra nhanh hơn.
Ví dụ về các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng
Xét các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng tổng hợp amoniac:N2 (k) + 3H2 (k) ⇄ 2NH3 (k)
+ Nồng độ: nếu tăng nồng độ của N2 hoặc H2 thì tốc độ phản ứng tăng.
+ Áp suất: nếu tăng áp suất chung của hệ thì tốc độ phản ứng tăng.
+ Chất xúc tác: nếu thêm chất xúc tác thì tốc độ phản ứng tăng.
+ Nhiệt độ: khi tăng nhiệt độ tốc độ phản ứng tăng.
Ý nghĩa của tốc độ phản ứng hóa học trong thực tế.
Người ta thường sử dụng chất xúc tác nhằm sản xuất ra nhiều amoniac, thực hiện các phản ứng ở điều kiện áp suất cao và nhiệt độ tăng.Ở áp suất bình thường thì thực phẩm chín lâu hơn khi nấu trong nồi áp suất.
Muốn than cháy nhanh thì phải có các lỗ tròn nhằm tăng diện tích tiếp xúc với oxi.
Các dạng bài tập về tốc độ phản ứng
Tổng hợp các dạng bài tập thường gặp và cách giải của từng dạng bài giúp học sinh dễ dàng giải bài toán tốc độ phản ứng.Dạng 1: Lý thuyết
Các em cần phải thuộc kĩ lý thuyết tốc độ phản ứng hoá học, nắm bắt và hiểu sâu bản chất của nó.Nắm rõ những yếu tố gây ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và từng công thức về tốc độ phản ứng.
Dạng 2: Một số bài toán khi muốn tính tốc độ phản ứng hóa học
* Một số lưu ý cần nhớ:Xét phản ứng như sau: a A + b B → c C + d D
Tại thời điểm t1 CA CB CC CD
Tại thời điểm t2 C’A C’B C’C C’D
Nồng độ phản ứng của chất A : ΔCA = CA - C'A
Nồng độ tạo thành của chất C là: ΔCC = C'C - CC
Tốc độ TB khi tham gia phản ứng của chất A là:
$\overline{v} = \dfrac{|CA - C'A}{t_2-t_1} = \dfrac{|△C_A|}{△t}$
Ví dụ: Trong thí nghiệm OXH axit fomic có xảy ra phản ứng như sau:
Br2+ HCOOH → 2HBr + CO2
Lúc đầu Br2 có nồng độ là 0,0120 mol/l, sau 50s thì nồng độ là 0,0101 mol/l. Hãy xác định tốc độ TB tham gia phản ứng của Br2 và HCOOH.
Hướng dẫn giải chi tiết:
Ta có phản ứng:
Br2 + HCOOH → 2HBr + CO2
t1 = 0 có nồng độ là 0,0120 (M)
t2 = 50s có nồng độ là 0,0101 (M)
- Tốc độ TB khi tham gia phản ứng của Br2
$\overline{v_{Br_2}} = \dfrac{|0,0120 - 0,0101}{50} = 3,8.10^{-5}$ mol/l.s
Từ phương trình trên ta thấy, tốc độ phản ứng của cả 2 chất khi tham gia phản ứng là như nhau:
$\overline{v_{Br_2}} = \overline{v_{HCOOH}} = 3,8.10^{-5}$ mol/l.s
Dạng 3: Một số bài toán khi muốn tìm nồng độ chất ban đầu hoặc nồng độ của sản phẩm
* Một số lưu ý cần nhớ:Ta có phương trình sau:
a A + b B → c C + d D
Ta có biểu thức về vận tốc như sau: v = k[A]a[B]b
Với k được biết là hằng số vận tốc
[A], [B] chính là nồng độ mol của chất A và chất B.
Ví dụ: Trong công nghiệp khi người ta điều chế NH3 dựa trên phương trình hoá học:
$N_2(k) + 3H_2(k) ⇄ 2NH_3(k)$
Khi tăng nồng độ của H2 lên 2 lần (vẫn giữ nồng độ của N2 và nhiệt độ của phản ứng) thì tốc độ phản ứng sẽ tăng lên mấy lần?
Hướng dẫn giải chi tiết:
Tốc độ phản ứng ban đầu được tính theo công thức là:
$v_1 = k[N_2].{[H_2]}_3$
Sau khi tăng nồng độ của H2 lên 2 lần thì tốc độ phản ứng lúc sau được tính là:
$v_2 = k[N_2].23.{[H_2]}_3 = 8v_1$
⇒ Sau khi phản ứng, tốc độ phản ứng sẽ tăng lên 8 lần.
Bài tập về tốc độ phản ứng
Câu 1. Hãy nêu một số ví dụ cho các loại phản ứng chậm và nhanh khi em quan sát chúng trong cuộc sống cũng như trong phòng thí nghiệm.
Hướng dẫn giải:
Một số ví dụ về các phản ứng:
- Phản ứng nhanh: Phản ứng cháy nổ, quá trình đốt cháy các nhiên liệu (dầu, than, khí đốt), phản ứng giữa 2 dung dịch BaCl2 và H2SO4...
- Phản ứng chậm: Quá trình lên men rượu, quá trình gỉ sắt.
Câu 2. Nồng độ, diện tích bề mặt, nhiệt độ, áp suất, chất xúc tác gây ảnh hưởng thế nào đối với tốc độ phản ứng?
Hướng dẫn giải:
Các yếu tố gây ảnh hưởng đối với tốc độ phản ứng:
a) Tác dụng của nồng độ
Tốc độ phản ứng sẽ tăng khi nồng độ chất phản ứng tăng
b) Tác dụng của nhiệt độ
- Tốc độ phản ứng sẽ tăng khi nhiệt độ tăng
- Giải thích: khi tăng nhiệt độ phản ứng dẫn đến 2 hệ quả như sau:
+ Các phân tử có tốc độ chuyển động tăng → tần số va chạm của các chất phản ứng cũng tăng.
+ Tần số va chạm đem lại hiệu quả giữa các chất tham gia phản ứng tăng nhanh → yếu tố chủ yếu làm cho tốc độ phản ứng tăng nhanh khi nhiệt độ tăng.
c) Tác dụng của áp suất
- Đối với phản ứng có sự tham gia của chất khí, khi tăng áp suất (tăng nồng độ chất khí) → tăng tốc độ phản ứng.
- Khi áp suất tăng, khoảng cách giữa các phân tử càng được thu hẹp → sự va chạm càng nhiều → phản ứng diễn ra nhanh hơn.
d) Tác dụng của diện tích bề mặt
Đối với phản ứng có sự tham gia của chất rắn, khi tăng diện tích bề mặt → tăng tốc độ phản ứng.
e) Tác dụng của chất xúc tác
- Chất xúc tác là những chất có tác dụng làm giúp biến đổi mãnh liệt tốc độ của phản ứng mà không bị giảm đi trong phản ứng.
- Những chất xúc tác giúp xúc tiến cho quá trình diễn ra nhanh hơn được gọi là chất xúc tác dương. Trong kĩ thuật hiện đại thì xúc tác dương được sử dụng rất phổ biến.
- Những chất xúc tác làm quá trình diễn ra chậm lại là chất xúc tác âm.
Câu 3. Hãy chỉ ra người ta lợi dụng những yếu tố nào nhằm tăng tốc độ phản ứng ở những trường hợp sau:
a) Dùng không khí nóng, nén thổi vào lò cao nhằm đốt cháy than cốc (trong quá trình sản xuất gang).
b) Nung đá vôi trong nhiệt độ cao nhằm sản xuất vôi sống.
c) Nghiền nhỏ nguyên liệu trước khi cho vào lò nung nhằm sản xuất clanhke (trong quá trìnhsản xuất ximăng)
Hướng dẫn giải:
a) Dùng không khí nén với nồng độ O2 cao và không khí đã nóng thổi vào lò nên làm tăng tốc độ phản ứng.
b) Lợi dụng tác dụng nhiệt độ (làm tăng nhiệt độ)
c) Lợi dụng tác dụng diện tích tiếp xúc (tăng diện tích tiếp xúc giữa các nguyên liệu)
Câu 4. Cho 6g hạt kẽm vào một cốc chứa dung dịch H2SO4 4M (dư) khi ở nhiệt độ thường.
Nếu vẫn giữ các điều kiện khác, chỉ thay đổi một trong những điều kiện dưới đây thì tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào (giảm xuống, tăng lên hay không đổi)?
a) Thay 6g hạt kẽm bằng 6g bột kẽm.
b) Thay dd H2SO4 4M bằng dd H2SO4 2M.
c) Thực hiện phản ứng khi nhiệt độ phản ứng là 50oC.
d) Dùng thể tích dd H2SO4 4M lên gấp 2 lần ban đầu.
Hướng dẫn giải:
a) Tốc độ phản ứng sẽ tăng lên (vì làm tăng diện tích bề mặt).
b) Tốc độ phản ứng sẽ giảm xuống (vì làm giảm nồng độ chất phản ứng).
c) Tốc độ phản ứng sẽ tăng lên.
d) Tốc độ phản ứng không biến đổi.
Câu 5. Giải thích vì sao trong quá trình sản xuất người ta thường thực hiện các bước như sau:
a) Dùng không khí nóng, nén để thổi vào lò nhằm đốt cháy than cốc (trong quá trình sản xuất gang).
b) Nung đá vôi khi nhiệt độ ở ≈ 900 – 950oC nhằm sản xuất vôi sống miệng lò hở.
c) Nghiền các nguyên liệu trước khi cho vào lò nung nhằm sản xuất clanhke (trong quá trình sản xuất xi măng).
Hướng dẫn giải:
a) Với quá trình sử dụng không khí nén, nóng nhằm thổi vào phản ứng trong lò cao: C + O2(k) → CO2(k) ↑
C+O2(k) → CO (k) ↑
FeO + CO (k) → Fe + CO2(k) ↑
Hiện tượng sử dụng không khí nén và nóng thổi vào lò cao nhằm đốt cháy than cốc (trong quá trình sản xuất gang) để gia tăng nồng độ khí O2 và tăng nhiệt độ, đây chính là nguyên nhân giúp gây ra sự gia tăng tốc độ của phản ứng thuận.
b) Nung đá vôi khi nhiệt độ ở ≈ 900 đến 950 độ C nhằm sản xuất vôi sống miệng lò hở.
Nguyên nhân người ta dùng quá trình này bắt đầu từ yếu tố nhiệt độ có ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng hóa học. Bên cạnh đó, trong suốt quá trình này người ta để miệng lò hở để làm giảm áp suất của khí CO2 giúp chuyển dịch cân bằng.
c) Nghiền nguyên liệu trước khi cho vào lò nung nhằm sản xuất clanhke (trong quá trình sản xuất xi măng) giúp làm gia tăng diện tích tiếp xúc của các nguyên liệu và nhiệt độ tăng sẽ làm tăng tốc độ phản ứng.
Câu 6. Cho phản ứng như sau: A + 2B → C
Nồng độ các chất ban đầu: [A] = 0,3M; [B] = 0,5M. Hằng số tốc độ là k = 0,4
Hãy cho biết tốc độ phản ứng ban đầu.
Hãy cho biết tốc độ phản ứng ở thời điểm t khi nồng độ chất A giảm 0,1 mol/l.
Hướng dẫn giải:
Tốc độ ban đầu được tính như sau:
Vbd=k.[A].[B]2=0,4.[0,3].[0,5]2=0,3mol/ls
Tốc độ ở thời điểm t
Khi nồng độ chất A giảm 0,1 mol/l thì chất B giảm 0,2 mol/l theo tỉ lệ phản ứng là 1 : 2
Nồng độ ở thời điểm t:
[A′]=0,3–0,1=0,2(mol/l)
[B′]=0,5−0,2=0,3(mol/l)
V=k.[A′].[B′]2=0,4.[0,2].[0,3]2=0,0072mol/ls
Câu 7. Hoà tan 1 tấm Zn trong dd HCl ở 200C thì cần thời gian là 27 phút, cũng tấm Zn đó sẽ tan hết trong dd HCl trên ở 400C trong thời gian là 3 phút. Hỏi muốn hoà tan hết Tấm Zn đó trong dd HCl trên ở nhiệt độ 550c thì cần bao nhiêu thời gian?
Hướng dẫn giải:
Khi nhiệt độ tăng lên: 40 – 20 = 200C thì thời gian phản ứng sẽ giảm xuống là:
27 : 3 = 9 (lần).
Vậy tốc độ phản ứng sẽ tăng lên 9 lần. => khi tăng 100c thì tốc độ phản ứng sẽ tăng lên 3 lần.
Khi tăng thêm 550C thì tốc độ của phản ứng cũng sẽ tăng lên: 9 . 55-2020 = 46,77 (lần)
Vậy muốn hoà tan tấm Zn đó ở 550c thì cần thời gian là: 27 : 46,77 = 0,577 phút = 34,64s
Câu 8. Tốc độ phản ứng tăng lên bao nhiêu lần khi tăng nhiệt độ từ 200 - 240 độ C, biết khi tăng 10 độ C thì tốc độ phản ứng tương ứng sẽ tăng lên 2 lần.
Hướng dẫn giải:
Gọi V200 là tốc độ phản ứng khi ở nhiệt độ 200 độ C
Ta có:
V210 = 2.V200
V220 = 2V210 = 4V200
V230 = 2V220 = 8V200
V240 = 2V230 = 16V200
Kết luận: Vậy tốc độ của phản ứng sẽ tăng lên 16 lần khi nhiệt độ tăng lên từ 200 - 240 độ C.
Câu 9. Cho phản ứng sau: 2X(k) + Y(k) → Z(k) + T(k)
Nếu áp suất của hệ tăng lên 3 lần thì tốc độ phản ứng sẽ tăng hay giảm và tăng (giảm) bao nhiêu lần?
Hướng dẫn giải:
Vbđ = k.[X]2.[Y] = kx2y (với x và y lần lượt là nồng độ của chất X và Y)
Khi áp suất của hệ tăng lên 3 lần thì nồng độ các chất cũng tăng lên gấp 3 lần .
⇒ Vsau= k.[3X]2.[3Y]= k(3x)2 .(3y)=27kx2y
Kết luận: Vậy tốc độ của phản ứng tăng lên gấp 27 lần khi áp suất tăng lên gấp 3 lần.
Câu 10. Tại sao khi làm than để đun bếp người ta lại thiết kế các lỗ rỗng (than đó là than tổ ong), hay khi đun bếp cho lửa cháy lớn thì phải chẻ củi ra nhỏ, trong khi cần cháy lâu, lửa nhỏ thì người ta lại sử dụng củi lớn?
Hướng dẫn giải:
Phản ứng cháy xảy ra giữa than và củi là những phản ứng diễn ra giữa các chất rắn (than, củi) và chất khí (khí O2 trong không khí) là phản ứng dị thể. Vì vậy với mục đích làm tăng tốc độ phản ứng, người ta phải làm tăng diện tích bề mặt. Để tăng khả năng cháy giữa than và củi người ta sẽ làm tăng diện tích bề mặt giữa than và củi, khi muốn củi cháy chậm lại người ta sử dụng thanh củi to nhằm giảm diện tích bề mặt và ngọn lửa sẽ nhỏ lại.