Giải Hóa 10 Bài 15 ( Chân trời sáng tạo ): Phương trình tốc độ phản ứng và hằng số tốc độ phản ứng

Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 15: Phương trình tốc độ phản ứng và hằng số tốc độ phản ứng

Mở đầu trang 94 Hóa học 10: Trong tự nhiên có những phản ứng xảy ra rất nhanh, như phản ứng nổ của pháo hoa, phản ứng cháy của que diêm, … nhưng cũng có những phản ứng xảy ra chậm hơn, như quá trình oxi hóa các kim loại sắt, đồng trong khí quyển, sự ăn mòn vỏ tàu biển làm bằng thép,… Để đánh giá mức độ nhanh hay chậm của một phản ứng hóa học cần dùng đại lượng nào? Cách tính ra sao?

Lời giải:

Để đánh giá mức độ nhanh hay chậm của một phản ứng hóa học ta dùng đại lượng tốc độ phản ứng hóa học.

- Xét phản ứng đơn giản có dạng: aA + bB → cC + dD

+ Mối quan hệ giữa nồng độ và tốc độ tức thời của phản ứng hóa học được biểu diễn bằng biểu thức:

$v=k\times C_A^a\times C_B^b$

Trong đó:

k là hằng số tốc độ phản ứng;

C_A; C_B là nồng độ (M) chất A, B tại thời điểm đang xét.

+ Tốc độ trung bình của phản ứng là tốc độ được tính trong một khoảng thời gian phản ứng:

$$\begin{gathered} \overline{v}=-\frac{1}{a}\times \frac{\Delta C_A}{\Delta t}=-\frac{1}{b}\times \frac{\Delta C_B}{\Delta t} \\ =\frac{1}{c}\times \frac{\Delta C_C}{\Delta t}=\frac{1}{d}\times \frac{\Delta C_D}{\Delta t} \end{gathered}$$

Trong đó:

$\overline{v}$_: tốc độ trung bình của phản ứng

∆C = C₂ – C₁: sự biến thiên nồng độ

∆t = t₂ – t₁ : biến thiên thời gian

C₁, C₂ là nồng độ của một chất tại hai thời điểm tương ứng t₁ và t₂.

1. Tốc độ phản ứng

Câu hỏi 1 trang 94 Hóa học 10: Quan sát hình trong phần Khởi động, nhận xét về mức độ nhanh hay chậm của phản ứng hóa học xảy ra trong đám cháy lá cây khô và thân tàu biển bị oxi hóa trong điều kiện tự nhiên

Lời giải:

Quá trình cháy của lá cây khô diễn ra nhanh, tức thời, dễ quan sát; Quá trình oxi hóa thân tàu biển trong điều kiện tự nhiên diễn ra chậm, khó quan sát trong thời gian ngắn.

Câu hỏi 2 trang 95 Hóa học 10: Trong tự nhiên và cuộc sống, ở cùng điều kiện, nhiều chất khác nhau sẽ biến đổi hóa học nhanh, chậm khác nhau; với cùng một chất, trong điều kiện khác nhau cũng biến đổi hóa học nhanh, chậm khác nhau. Tìm các ví dụ minh họa cho 2 nhận định trên.

Lời giải:

- Ở cùng điều kiện, nhiều chất khác nhau sẽ biến đổi hóa học nhanh, chậm khác nhau.

Ví dụ: Trong cùng một môi trường:

+ Phản ứng đốt cháy khí gas xảy ra nhanh;

+ Phản ứng oxi hóa kim loại ở kiềng bếp gas xảy ra chậm hơn.

- Với cùng một chất, trong điều kiện khác nhau cũng biến đổi hóa học nhanh, chậm khác nhau.

Ví dụ:

+ Than đá có kích thước nhỏ dễ cháy hơn than đá có kích thước lớn trong cùng một điều kiện;

+ Cơm để trong tủ lạnh sẽ lâu bị thiu hơn cơm để ngoài môi trường nóng.

Câu hỏi 3 trang 95 Hóa học 10: Quan sát Hình 15.1, cho biết nồng độ của chất phản ứng và sản phẩm thay đổi như thế nào theo thời gian.

Lời giải:

- Nồng độ của chất phản ứng giảm dần theo thời gian.

- Nồng độ của chất sản phẩm tăng dần theo thời gian.

Luyện tập trang 95 Hóa học 10: Xét phản ứng phân hủy N₂O₅ ở 45^oC

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

Sau 184 giây đầu tiên, nồng độ của N₂O₄ là 0,25M. Tính tốc độ trung bình của phản ứng theo N₂O₄ trong khoảng thời gian trên

Lời giải:

$\overline{v}=\frac{1}{1}.\frac{\Delta C_{N_2{O}_4}}{\Delta t}=\frac{0,25}{184}$ = 1,36.10^-3 (M/s)

Vậy tốc độ trung bình của phản ứng theo N₂O₄ trong 184 giây đầu tiên là 1,36.10^-3 (M/s)

2. Biểu thức tốc độ phản ứng

Câu hỏi 4 trang 96 Hóa học 10: Theo định luật tác dụng khối lượng, tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào khi tăng hoặc giảm nồng độ chất phản ứng

Lời giải:

Theo định luật tác dụng khối lượng tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ các chất tham gia phản ứng ⇒ Tốc độ phản ứng tăng khi tăng nồng độ chất phản ứng và ngược lại.

Câu hỏi 5 trang 96 Hóa học 10: Trong tự nhiên và cuộc sống, có nhiều phản ứng hóa học xảy ra với tốc độ khác nhau phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng, tìm các ví dụ minh họa

Lời giải:

+ Đám cháy nhỏ sẽ bùng nhanh thành đám cháy lớn khi có gió, gió làm tăng nồng độ oxygen cho sự cháy;

+ Để tăng nhiệt lượng của quá trình đun nấu bằng bếp gas: mở van khí để lượng khí cung cấp từ bình gas nhiều hơn, tốc độ phản ứng cháy diễn ra nhanh, cung cấp nhiệt lượng cao hơn.

Luyện tập trang 96 Hóa học 10: Cho phản ứng đơn giản sau:

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)

a) Viết biểu thức tốc độ tức thời của phản ứng trên

b) Tốc độ phản ứng thay đổi thế nào khi nồng độ H₂ giảm 2 lần và giữ nguyên nồng độ Cl₂?

Lời giải:

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)

a) Biểu thức tốc độ tức thời của phản ứng viết theo định luật là:

$v=k.C_{H_2}^{}.C_{C{l}_2}$

b) Nồng độ H₂ giảm 2 lần và giữ nguyên nồng độ Cl₂

⇒ $v\text{'}=k.\frac{C_{H_2}}{2}.C_{C{l}_2}=\frac{v}{2}$

Vậy tốc độ phản ứng giảm một nửa khi nồng độ H₂ giảm 2 lần và giữ nguyên nồng độ Cl₂.

Vận dụng trang 96 Hóa học 10: Dưới đây là một số hiện tượng xảy ra trong đời sống, hãy sắp xếp theo thứ tự tốc độ giảm dần:

Nướng bánh mì (1)

Đốt gas khi nấu ăn (2)

Lên men sữa chua tạo sữa chua (3)

Tấm tôn thiếc bị gỉ sét (4)

Lời giải:

Sắp xếp theo thứ tự tốc độ giảm dần: (2) > (1) > (3) > (4)

Bài 1 trang 97 Hóa học 10: Cho phản ứng đơn giản xảy ra trong bình kín: 2NO(g) + O₂(g) → 2NO₂(g)

a) Viết biểu thức tốc độ tức thời của phản ứng

b) Ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng thay đổi thế nào khi

- nồng độ O₂ tăng 3 lần, nồng độ NO không đổi?

- nồng độ NO tăng 3 lần, nồng độ O₂ không đổi?

- nồng độ NO và O₂ đều tăng 3 lần?

Lời giải:

a) Biểu thức tốc độ tức thời của phản ứng:

$v=k.C_{NO}^2.C_{O_2}$

b) - nồng độ O₂ tăng 3 lần, nồng độ NO không đổi

$v_1=k.C_{NO}^2\mathrm{.3.}{C}_{O_2}=3v$

⇒ Tốc độ phản ứng tăng 3 lần.

- nồng độ NO tăng 3 lần, nồng độ O₂ không đổi

$v_3=k.{\left(3.C_{NO}^{}\right)}^2.C_{O_2}=9v$

⇒ Tốc độ phản ứng tăng 9 lần.

- nồng độ NO và O₂ đều tăng 3 lần

$v_3=k.{\left(3.C_{NO}^{}\right)}^2\mathrm{.3.}{C}_{O_2}=27v$

⇒ Tốc độ phản ứng tăng 27 lần.

Bài 2 trang 197 Hóa học 10: Giải thích tại sao tốc độ tiêu hao của NO (M/s) và tốc độ tạo thành của N₂ (M/s) không giống nhau trong phản ứng:

2CO(g) + 2NO(g) → 2CO₂(g) + N₂(g)

Lời giải:

Tốc độ trung bình của phản ứng trong một đơn vị thời gian ∆t là:

$$\begin{gathered} \overline{v}=-\frac{1}{2}\times \frac{\Delta C_{NO}}{\Delta t}=\frac{\Delta C_{N_2}}{\Delta t} \\ \Rightarrow -\Delta C_{NO}=2\Delta C_{N_2} \end{gathered}$$

(Dấu “ – “ biểu diễn cho chất tham gia bị giảm sau phản ứng)

Vậy trong phản ứng trên, tốc độ tiêu hao của NO gấp 2 lần tốc độ tạo thành N₂.

Bài 3 trang 97 Hóa học 10: Cho phản ứng:

2N₂O₅(g) → 4NO₂(g) + O₂(g)

Sau thời gian từ giây 61 đến giây 120, nồng độ NO₂ tăng từ 0,30 M lên 0,40 M. Tính tốc độ trung bình của phản ứng.

Lời giải:

Tốc độ trung bình của phản ứng là:

$$\begin{gathered} \overline{v}=\frac{1}{4}.\frac{\Delta C_{N{O}_2}}{\Delta t} \\ =\frac{1}{4}.\frac{0,40-0,30}{120-61}=4,{24.10}^{-4}(M/s) \end{gathered}$$

Bài 4 trang 97 Hóa học 10: Dữ liệu thí nghiệm của phản ứng:

SO₂Cl₂(g) → SO₂(g) + Cl₂(g) được trình bày ở bảng sau

a) Tính tốc độ trung bình của phản ứng theo SO₂Cl₂ trong thời gian 100 phút.

b) Sau 100 phút, nồng độ của SO₂Cl₂ còn lại là bao nhiêu?

c) Sau 200 phút, nồng độ của SO₂ và Cl₂ thu được là bao nhiêu?

Lời giải:

a) Tốc độ trung bình của phản ứng theo SO₂Cl₂ trong thời gian 100 phút.

$\overline{v}=-\frac{1}{1}.\frac{\Delta C_{S{O}_{2}C{l}_2}}{\Delta t}$$=-\frac{1}{1}.\frac{0,87-1,00}{100-0}=1,{3.10}^{-3}$ (M/phút)

b) Sau 100 phút, nồng độ của SO₂Cl₂ còn lại là 1,00 – 0,13 = 0,87 M

c) Sau 200 phút, nồng độ của SO₂Cl₂ còn lại là: 0,78 M

⇒ Nồng độ của SO₂Cl₂ đã phản ứng là: 1,00 – 0,78 = 0,22 M

⇒ Nồng độ của SO₂ và Cl₂ thu được là 0,22 M

Lý thuyết Phương trình tốc độ phản ứng và hằng số tốc độ phản ứng

I. Tốc độ phản ứng

1. Khái niệm tốc độ phản ứng hóa học

- Tốc độ phản ứng của phản ứng hóa học là đại lượng đặc trưng cho sự biến thiên nồng độ của một trong các chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian.

- Tốc độ phản ứng hóa học dùng để đánh giá mức độ xảy ra nhanh hay chậm của một phản ứng.

- Tốc độ phản ứng kí hiệu là v, có đơn vị: (đơn vị nồng độ)/ (đơn vị thời gian).

- Tốc độ trung bình của phản ứng là tốc độ được tính trong một khoảng thời gian phản ứng.

- Tốc độ tức thời của phản ứng là tốc độ phản ứng tại một thời điểm nào đó

2. Tính tốc độ trung bình của phản ứng hóa học

Cho phản ứng tổng quát: aA + bB → cC + dD

Biểu thức tốc độ trung bình của phản ứng:

$\overline{\mathrm{v}}=-\frac{1}{\mathrm{a}}\times \frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{A}}}{\mathrm{\Delta t}}=-\frac{1}{\mathrm{b}}\times \frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{B}}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{1}{\mathrm{c}}\times \frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{C}}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{1}{\mathrm{d}}\times \frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{D}}}{\mathrm{\Delta t}}$

Trong đó:

$\overline{\mathrm{v}}$: tốc độ trung bình của phản ứng

∆C = C₂ – C₁: sự biến thiên nồng độ

∆t = t₂ – t₁: biến thiên thời gian

C₁, C₂ là nồng độ của một chất tại hai thời điểm tương ứng t₁ và t₂.

Ví dụ: Trong phản ứng hóa học: N₂O₅(g) → N₂O₄(g) + $\frac{1}{2}$O₂(g)

Sau 184 giây đầu tiên, nồng độ của N₂O₄ là 0,25M. Tốc độ trung bình của phản ứng theo nồng độ N₂O₄ trong khoảng thời gian trên là:

$\overline{\mathrm{v}}=\frac{1}{1}.\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{{\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{0,25}{184}$ = 1,36.10^-3 (M/s)

II. Biểu thức tốc độ phản ứng

- Năm 1864, hai nhà bác học Guldberg và Waage khi nghiên cứu sự phụ thuộc của tốc độ vào nồng độ đã đưa ra định luật tác dụng khối lượng: Ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng tỉ lệ với tích số nồng độ các chất tham gia phản ứng với số mũ thích hợp.

- Biểu thức tốc độ phản ứng:

Xét phản ứng đơn giản có dạng: aA + bB → cC + dD

+ Mối quan hệ giữa nồng độ và tốc độ tức thời của phản ứng hóa học được biểu diễn bằng biểu thức:

$\mathrm{v}=\mathrm{k}\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{A}}^{\mathrm{a}}\times {\mathrm{C}}_{\mathrm{B}}^{\mathrm{b}}$

+ Trong đó:

k là hằng số tốc độ phản ứng;

C_A; C_B là nồng độ (M) chất A, B tại thời điểm đang xét.

Chú ý:

+ Khi nồng độ chất phản ứng bằng đơn vị (1M) thì k = v, vậy k là tốc độ phản ứng và được gọi là tốc độ riêng, đây là ý nghĩa của hằng số tốc độ phản ứng.

+ Hằng số k chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất phản ứng và nhiệt độ.

+ Định luật tác dụng khối lượng chỉ đúng cho các phản ứng đơn giản, đó là phản ứng một chiều, chỉ qua một giai đoạn từ chất phản ứng tạo ra sản phẩm.

Ví dụ: Xét phản ứng: H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g)

Biểu thức tốc độ tức thời của phản ứng viết theo định luật là:

$\mathrm{v}=\mathrm{k}.{\mathrm{C}}_{{\mathrm{H}}_2}^{}.{\mathrm{C}}_{{\mathrm{Cl}}_2}$

Xem thêm lời giải bài tập Hóa học lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 10: Liên kết cộng hóa trị

Bài 11: Liên kết hydrogen và tương tác van der Waals

Bài 12: Phản ứng oxi hóa – khử và ứng dụng trong cuộc sống

Bài 13: Enthalpy tạo thành và biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học

Bài 14: Tính biến thiên enthalpy của phản ứng hóa học

Xem thêm tài liệu Hóa học lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 15: Phương trình tốc độ phản ứng và hằng số tốc độ phản ứng