Chuyên đề Hóa 10 Bài 3 (Chân trời sáng tạo): Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học

Giải bài tập Chuyên đề Hóa 10 Bài 3: Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học

A/ Câu hỏi đầu bài

Mở đầu trang 22 Chuyên đề Hóa học 10: Trong ruột non của hầu hết chúng ta đều có enzyme lactase, có tác dụng chuyển hóa lactose (còn gọi là đường sữa, C₁₂H₂₂O₁₁) có trong thành phần của sữa và các sản phẩm từ sữa thành đường glucose (C₆H₁₂O₆) và galactose (C₆H₁₂O₆) giúp cơ thể dễ dàng hấp thu; quá trình này đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển và tăng cường miễn dịch của trẻ nhỏ. Khi cơ thể thiếu hụt loại enzyme này, lactose không được tiêu hóa sẽ bị vi khuẩn lên men, sinh ra khí và gây đau bụng. Enzyme lactase đóng vai trò xúc tác trong quá trình chuyển hóa lactose. Xúc tác ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ chuyển hóa giữa các chất?

Trả lời:

Chất xúc tác có vai trò làm giảm năng lượng hoạt hóa để tăng tốc độ phản ứng.

B/ Câu hỏi giữa bài

1. Năng lượng hoạt hóa

Hình thành kiến thức mới 1 trang 22 Chuyên đề Hóa học 10: Quan sát Hình 3.1, cho biết số va chạm hiệu quả và khả năng xảy ra phản ứng của chất tham gia thay đổi như thế nào khi giá trị của năng lượng hoạt hóa càng giảm?

Trả lời:

Năng lượng hoạt hóa càng giảm thì số va chạm hiệu quả càng giảm và khả năng xảy ra phản ứng của chất tham gia càng giảm.

Khi năng lượng hoạt hóa giảm đến dưới mức năng lượng tối thiểu thì các chất tham gia phản ứng không tạo ra được các va chạm hiệu quả dẫn đến không hình thành được sản phẩm.

Hình thành kiến thức mới 2 trang 23 Chuyên đề Hóa học 10: Từ thông tin trong phần Khởi động, khi có chất xúc tác, năng lượng hoạt hóa của phản ứng chuyển hóa lactose tăng hay giảm? Giải thích.

Trả lời:

Từ thông tin trong phần Khởi động, khi có chất xúc tác làm tăng tốc độ của phản ứng tức là sẽ có nhiều hơn số phân tử chất phản ứng va chạm hiệu quả với nhau dẫn đến năng lượng hoạt hóa giảm.

Luyện tập trang 23 Chuyên đề Hóa học 10: Khả năng xảy ra của một phản ứng Hóa học như thế nào khi năng lượng hoạt hóa của phản ứng rất lớn? Giải thích.

Trả lời:

Khi năng lượng hoạt hóa của phản ứng rất lớn chứng tỏ các phân tử chất phản ứng va chạm hiệu quả với nhau khó khăn dẫn đến khả năng xảy ra của phản ứng Hóa học đó là khó khăn.

2. Ảnh hưởng của năng lượng hoạt hóa và nhiệt độ đến tốc độ phản ứng

Hình thành kiến thức mới 3 trang 23 Chuyên đề Hóa học 10: Dựa vào phương trình Arrhenius, tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào khi tăng nhiệt độ của phản ứng?

Trả lời:

Dựa vào phương trình Arrhenius, tốc độ phản ứng tại thời điểm T₁ là:

$k_1=A{e}^{\frac{-E_a}{R{T}_1}}$ (1)

Tốc độ phản ứng tại thời điểm T₂ là:

$k_2=A{e}^{\frac{-E_a}{R{T}_2}}$(2)

Chia hai vế phương trình (2) cho (1), thu được:

${\frac{k_2}{k_1}}_{}=e^{\frac{E_a}{R}\left(\frac{T_2-T_1}{T_2{T}_1}\right)}$

Khi tăng nhiệt độ tức là T₂ > T₁

⇒ $\frac{k_2}{k_1}$ > 1 ⇒ Tốc độ phản ứng tăng.

Hình thành kiến thức mới 4 trang 24 Chuyên đề Hóa học 10: Từ Ví dụ 2, tốc độ phản ứng phân hủy N₂O₅ thay đổi như thế nào khi giảm nhiệt độ về 25^oC? Nhận xét ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng.

Trả lời:

Dựa vào phương trình Arrhenius ta có:

$\ln \frac{k_2}{k_1}=\frac{E_a}{R}\times \left(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}\right)$

⇔ $\ln \frac{k_2}{k_1}=\frac{103,{5.10}^3}{8,314}\times \left(\frac{1}{45+273}-\frac{1}{25+273}\right)$

⇔ $\frac{k_2}{k_1}=0,0723$ hay $\frac{k_1}{k_2}=13,84$

Vậy, khi giảm nhiêt độ về 25^oC thì tốc độ phản ứng giảm 13,84 lần.

Luyện tập 1 trang 25 Chuyên đề Hóa học 10: Một phản ứng có năng lượng hoạt hóa là 24 kJ/mol, so sánh tốc độ phản ứng ở 2 nhiệt độ là 27^oC và 127^oC.

Trả lời:

Dựa vào phương trình Arrhenius, tốc độ phản ứng tại thời điểm T₁ là:

$k_1=A{e}^{\frac{-E_a}{R{T}_1}}$ (1)

Tốc độ phản ứng tại thời điểm T₂ là:

$k_2=A{e}^{\frac{-E_a}{R{T}_2}}$(2)

Chia hai vế phương trình (2) cho (1), thu được:

${\frac{k_2}{k_1}}_{}=e^{\frac{E_a}{R}\left(\frac{T_2-T_1}{T_2{T}_1}\right)}$

Hay $\ln \frac{k_2}{k_1}=\frac{E_a}{R}\times \left(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}\right)$

Thay số vào ta được: $\ln \frac{k_2}{k_1}=\frac{{24.10}^3}{8,314}\times \left(\frac{1}{27+273}-\frac{1}{127+273}\right)$ 

⇔ $\frac{k_2}{k_1}$= 11,08

Vậy khi tăng nhiệt độ từ 27^oC lên 127^oC thì tốc độ phản ứng tăng 11,08 lần.

Hình thành kiến thức mới 5 trang 25 Chuyên đề Hóa học 10: Nhận xét ảnh hưởng của enzyme đối với năng lượng hoạt hóa của phản ứng.

Trả lời:

Enzyme là chất xúc tác sinh học, có vai trò làm tăng tốc độ phản ứng.

Mà theo phương trình Arrhenius, tốc độ phản ứng tăng thì năng lượng hoạt hóa của phản ứng giảm.

Vậy enzyme có vai trò làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng.

Luyện tập 2 trang 25 Chuyên đề Hóa học 10: Trong công nghiệp hóa chất, người ta sử dụng chất xúc tác để tăng tốc độ của phản ứng, như phản ứng tổng hợp SO₃ từ SO₂ và O₂ dùng xúc tác V₂O₅. Hãy kể tên một số xúc tác cho các phản ứng mà em biết.

Trả lời:

+ H₂ phản ứng vô cùng chậm với O₂ ở nhiệt độ phòng, nhưng khi thổi khí H₂ qua lưới kim loại platinum (Pt) trong không khí, H₂ có thể bốc cháy. Trong trường hợp này, Pt đóng vai trò làm chất xúc tác cho phản ứng:

2H₂ + O₂ $\stackrel{Pt}{\to }$ 2H₂O

+ Trong các nhà máy sản xuất phân đạm người ta thường dùng sắt làm chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng giữa nitrogen (N₂) và hydrogen (H₂)

N₂ + 3H₂ $\underset{450-{500}^{o}C}{\overset{Fe}{\to }}$ 2NH₃

+ Hỗn hợp bột aluminium và iodine ở nhiệt độ thường không có phản ứng xảy ra, nhưng khi cho thêm một ít nước làm xúc tác, phản ứng xảy ra mãnh liệt, tạo hợp chất aluminium iodine.

2Al + 3I₂ $\stackrel{H_{2}O}{\to }$ 2AlI₃

Vận dụng trang 26 Chuyên đề Hóa học 10: Tại sao muốn cá, thịt mau mềm, người ta thường chế biến kèm với những lát dứa (thơm) hoặc thêm một ít nước ép của dứa?

Trả lời:

Trong dứa có một loại enzyme tên là enzyme bromelain, enzyme này có tác dụng phân giải protein thành các chuỗi peptit ngắn hơn.

Thịt được cấu tạo chủ yếu bởi protein, khi hầm chung với dứa, enzyme này trong dứa sẽ phân giải protein trong thịt, giúp nhanh mềm và dễ tiêu hóa, hấp thu hơn.

Bài tập

Bài tập 1 trang 26 Chuyên đề Hóa học 10: Cho giản đồ năng lượng của các phản ứng:

a) Hãy biểu diễn năng lượng hoạt hóa trên giản đồ năng lượng của phản ứng trong từng trường hợp.

b) Giản đồ năng lượng nào biểu diễn ảnh hưởng của xúc tác đến năng lượng hoạt hóa của phản ứng?

Trả lời:

a) Trong giản đồ (c) E_a’ là năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không có xúc tác.

E_a là năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi có xúc tác.

b) Giản đồ (c) biểu diễn ảnh hưởng của xúc tác đến năng lượng hoạt hóa của phản ứng.

Đường màu xanh là năng lượng hoạt hóa khi không có xúc tác.

Đường màu đỏ là năng lượng hoạt hóa khi có xúc tác.

Bài tập 2 trang 26 Chuyên đề Hóa học 10: Cho hằng số tốc độ của một phản ứng là 11M^-1.s^-1 tại nhiệt độ 345 K và hằng số thực nghiệm Arrhenius là 20 M^-1.s^-1 . Tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng trên.

Trả lời:

Áp dụng phương trình Arrhenius:

$k_{}=A{e}^{\frac{-E_a}{RT}}$

⇔ $11=20.e^{\frac{-E_a}{8,314.345}}$ ⇒ E_a = 1715 kJ/mol

Bài tập 3 trang 26 Chuyên đề Hóa học 10: Tìm hằng số tốc độ phản ứng k ở 273 K của phản ứng phân hủy

N₂O₅(g) → N₂O₄(g) + $\frac{1}{2}$O₂(g)

Biết rằng ở 300K, năng lượng hoạt hóa là 111 kJ/mol và hằng số tốc độ phản ứng là

10^-10s^-1.

Trả lời:

Áp dụng phương trình Arrhenius viết lại cho hai nhiệt độ

T₁ = 300K; T₂ = 273K ứng với hai hằng số tốc độ k₁ = 10^-10s^-1; k₂ = ?

$\ln \frac{k_2}{k_1}=\frac{E_a}{R}\times \left(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}\right)$

⇔ $\ln \frac{k_2}{{10}^{-10}}=\frac{{111.10}^3}{8,314}\times \left(\frac{1}{300}-\frac{1}{273}\right)$

⇔ k₂ = 1,23.10^-12s^-1

Vậy hằng số tốc độ phản ứng ở 273 K của phản ứng phân hủy là k₂ = 1,23.10^-12 s^-1

Bài tập 4 trang 26 Chuyên đề Hóa học 10: Phản ứng tổng hợp SO₃ trong dây chuyền sản xuất sulfuric acid:

2SO₂(g) + O₂(g) → 2SO₃(g)

Tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào khi tăng nhiệt độ từ 350^oC lên 450^oC.

Biết năng lượng hoạt hóa của phản ứng là 314 kJ/mol.

Trả lời:

Áp dụng phương trình Arrhenius theo nhiệt độ:

$\ln \frac{k_2}{k_1}=\frac{E_a}{R}\times \left(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}\right)$

Thay số vào ta được: $\ln \frac{k_2}{k_1}=\frac{{314.10}^3}{8,314}\times \left(\frac{1}{350+273}-\frac{1}{450+273}\right)$

⇔ $\frac{k_2}{k_1}$= 4380,03

Vậy khi tăng nhiệt độ từ 350^oC lên 450^oC thì tốc độ phản ứng tăng 4380,03 lần.

Xem thêm lời giải Chuyên đề Hóa học lớp 10 bộ sách Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 4: Entropy và biến thiên năng lượng tự do Gibbs

Bài 5: Sơ lược về phản ứng cháy và nổ

Bài 6: Điểm chớp cháy, nhiệt độ tự bốc cháy và nhiệt độ cháy

Bài 7: Hóa học về phản ứng cháy nổ

Bài 8: Vẽ cấu trúc phân tử