Lý thuyết Hóa học 10 Bài 16 (Cánh diều): Tốc độ phản ứng hóa học

Lý thuyết Hóa học 10 Bài 16: Tốc độ phản ứng hóa học

A. Lý thuyết Tốc độ phản ứng hóa học

I. Khái niệm tốc độ phản ứng, tốc độ trung bình của phản ứng

1. Khái niệm tốc độ phản ứng

- Thí nghiệm: Cho hai mảnh Zn có cùng khối lượng vào hai bình chứa cùng thể tích dung dịch H₂SO₄ loãng, dư, nồng độ dung dịch ở mỗi bình lần lượt là 0,5M và 1M.

Hình 16.1. Thí nghiệm Zn tác dụng với H₂SO₄ loãng

+ Phản ứng xảy ra trong thí nghiệm cho Zn vào dung dịch H₂SO₄ loãng, ở hai nồng độ khác nhau như sau:

Zn(s) + H₂SO₄(aq) $\stackrel{}{\to }$ ZnSO₄(aq) + H₂(g)

+ Hiện tượng: bọt khí H₂ thoát ra ở thí nghiệm (b) nhanh hơn so với thí nghiệm (a) đã chứng tỏ lượng H₂SO₄ bị mất đi do phản ứng với Zn ở thí nghiệm (b) nhanh hơn ở thí nghiệm (a).

$\Rightarrow$ Tốc độ phản ứng giữa Zn với dung dịch H₂SO₄ ở các nồng độ khác nhau là khác nhau.

+ Trong hai thí nghiệm trên, coi thể tích của dung dịch là không đổi trong suốt quá trình phản ứng. Trong cùng một khoảng thời gian, độ giảm nồng độ H₂SO₄ trong thí nghiệm (b) là nhanh hơn so với trong thí nghiệm (a).

$\Rightarrow$Có thể dựa theo sự thay đổi nồng độ của chất trong phản ứng trong một đơn vị thời gian để đánh giá mức độ nhanh, chậm của phản ứng.

Kết luận:

- Khái niệm: Tốc độ phản ứng của một phản ứng hóa học là đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi nồng độ của chất phản ứng hoặc sản phẩm phản ứng trong một đơn vị thời gian.

- Tốc độ phản ứng được kí hiệu là v, có đơn vị là (đơn vị nồng độ) (đơn vị thời gian)^-1

Ví dụ: mol L^-1 s^-1 (hay M s^-1), ...

2. Tốc độ trung bình của phản ứng

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

- Cho phản ứng tổng quát:

aA + bB $\stackrel{}{\to }$ mM + nN (1)

Tốc độ phản ứng (1) được tính dựa theo sự thay đổi nồng độ của một chất bất kì trong phản ứng theo quy ước sau:

$\overline{v}=-\frac{1}{a}\frac{\Delta C_A}{\Delta t}=-\frac{1}{b}\frac{\Delta C_B}{\Delta t}=\frac{1}{m}\frac{\Delta C_M}{\Delta t}=\frac{1}{n}\frac{\Delta C_N}{\Delta t}$(2)

Trong đó: ΔC = C₂ – C₁, Δt = t₂ – t₁ lần lượt là biến thiên nồng độ và biến thiên thời gian tương ứng. C₁, C₂ là nồng độ của một chất tại thời điểm tương ứng t₁ và t₂ (với t₂ > t₁).

Ví dụ: Cho phản ứng phân hủy N₂O₅:

2N₂O₅(g) $\stackrel{}{\to }$ 4NO₂(g) + O₂(g) (3)

Nồng độ của mỗi chất trong phản ứng (3) tại thời điểm t₁ = 0 và t₂ = 50s được cho trong bảng sau:

Bảng 16.1. Dữ liệu nồng độ các chất (mol L^-1)

Tốc độ trung bình của phản ứng (3) có thể được tính theo biến thiên nồng độ chất phản ứng hoặc sản phẩm:

+ Tính theo nồng độ N₂O₅

 Nồng độ của N₂O₅ ban đầu (C₁) là 0,0200M, sau 50 s (C₂) là 0,0045M

Vậy tốc độ trung bình của phản ứng trong 50s đầu tiên là:

$\overline{v}=-\frac{1}{2}\frac{0,0045-0,0200}{50}$= 1,55,10^-5 (M s^-1)

+ Tính theo O₂

Nồng độ của O₂ ban đầu (C₁) là 0M, sau 50 s (C₂) là 0,000775M

Vậy tốc độ trung bình của phản ứng trong 50s đầu tiên là:

$\overline{v}=\frac{1}{1}\frac{0,000775-0}{50}$= 1,55,10^-5 (M s^-1)

II. Định luật tác dụng khối lượng

- Thí nghiệm: Cho hai mảnh Zn có cùng khối lượng vào hai bình chứa cùng thể tích dung dịch H₂SO₄ loãng, dư, nồng độ dung dịch ở mỗi bình lần lượt là 0,5M và 1M.

Hình 16.2. Minh họa mô hình Zn trong dung dịch H₂SO₄ loãng

- Giải thích: Để phản ứng xảy ra, cần phải có sự va chạm giữa H₂SO₄ và Zn. Nồng độ của H₂SO₄ ở bình (b) lớn gấp đôi nồng độ H₂SO₄ ở bình (a), do vậy số va chạm của H₂SO₄ với Zn trong bình (b) sẽ nhiều hơn, dẫn đến tốc độ phản ứng ở bình (b) là lớn hơn.

- Kết luận: Khi nồng độ các chất tham gia phản ứng càng lớn thì tốc độ phản ứng càng lớn.

- Giải thích: Để phản ứng xảy ra, các phân tử phản ứng phải va chạm với nhau, nồng độ càng lớn thì số lượng va chạm càng nhiều (trong cùng một đơn vị thời gian, một đơn vị thể tích) nên tốc độ phản ứng càng lớn.

- Định luật tác dụng khối lượng áp dụng cho các phản ứng đơn giản, biểu thị sự phụ thuộc tốc độ phản ứng theo nồng độ các chất phản ứng.

Lưu ý: Phản ứng đơn giản là phản ứng chỉ diễn ra qua một giai đoạn duy nhất, chất phản ứng tạo thành sản phẩm không qua một chất trung gian nào khác.

- Cho phản ứng tổng quát: aA + bB $\stackrel{}{\to }$ sản phẩm

+ Tốc độ phản ứng được tính như sau: v = k$C_A^a{C}_B^b$(4)

+ Trong đó: C_A, C_B là nồng độ mol. L^-1 tương ứng của chất A và B; k là hằng số tốc độ phản ứng mà giá trị của nó chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và bản chất các chất tham gia phản ứng.

- Định luật tác dụng khối lượng: Tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với tích nồng độ các chất tham gia phản ứng với số mũ thích hợp.

® Hằng số tốc độ phản ứng càng lớn thì tốc độ phản ứng càng lớn.

- Hằng số tốc độ phản ứng có giá trị đúng bằng tốc độ phản ứng khi nồng độ các chất phản ứng bằng nhau và bằng 1M. Đây chính là ý nghĩa của hằng số tốc độ phản ứng.

Ví dụ: Phản ứng của N₂ và H₂ là phản ứng đơn giản:

N₂(g) + 3H₂(g) $\stackrel{}{\to }$ 2NH₃(g) (5)

+ Theo định luật tác dụng khối lượng, tốc độ của phản ứng (5) được viết dưới dạng:

v = k$C_A^a{C}_B^b$

+ Ở một nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng (5) tỉ lệ với nồng độ N₂ và H₂.

Lưu ý: Tốc độ phản ứng tính theo định luật tác dụng khối lượng là tốc độ tức thời của phản ứng tại một thời điểm, khác với tốc độ trung bình của phản ứng trong một khoảng thời gian như đã nêu trên.

III. Các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng, hệ số nhiệt độ Van’t Hoff

1. Ảnh hưởng của nồng độ

- Nồng độ các chất phản ứng càng lớn, tốc độ phản ứng càng lớn.

Ví dụ: Phản ứng của H₂ và I₂ như sau:

H₂(g) + I₂(g) $\stackrel{}{\to }$ 2HI(g) (6)

Hình 16.3. Ảnh hưởng của nồng độ các chất phản ứng tới tốc độ phản ứng

+ Giải thích: Khi nồng độ của H₂ và I₂ tăng lên trong một đơn vị thể tích, các phân tử này cũng sẽ nhiều hơn, dẫn đến số lượng va chạm giữa chúng (trong cùng một đơn vị thời gian) tăng lên. Vì vậy tốc độ phản ứng tăng lên khi nồng độ các chất tăng.

2. Ảnh hưởng của áp suất

- Áp suất của các chất phản ứng ở thể khí càng lớn, tốc độ phản ứng càng lớn.

- Giải thích: Đối với các chất khí, nồng độ của chất khí tỉ lệ với áp suất của nó. Do vậy, khi áp suất chất tham gia phản ứng ở thể khí tăng lên, sẽ làm nồng độ chất khí tăng lên, từ đó làm tốc độ phản ứng tăng.

Ví dụ: Phản ứng tổng hợp NH₃ từ N₂ và H₂ được thực hiện ở áp suất rất cao từ 200 – 300 atm để tăng tốc độ phản ứng.

3. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt

- Thí nghiệm: Dùng hai mẫu Zn có cùng khối lượng, trong đó một mẫu dạng hạt còn một mẫu dạng bột. Cho hai mẫu đó cùng tác dụng với hai thể tích bằng nhau dung dịch H₂SO₄ loãng, dư, cùng nồng độ.

Hình 16.4. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt tới tốc độ phản ứng

- Diện tích bề mặt càng lớn, tốc độ phản ứng càng lớn.

- Giải thích: Khi diện tích bề mặt tăng lên, dẫn đến số lượng va chạm giữa các chất phản ứng tăng lên (trong cùng một đơn vị thời gian) tăng lên. Vì vậy tốc độ phản ứng tăng lên khi nồng độ các chất tăng.

- Ảnh hưởng của diện tích bề mặt tới tốc độ phản ứng trong thực tế: thanh củi chẻ nhỏ hơn thì sẽ cháy nhanh hơn, than tổ ong có nhiều lỗ sẽ cháy nhanh hơn, ...

4. Ảnh hưởng của nhiệt độ

- Nhiệt độ càng cao, tốc độ phản ứng càng lớn. Với đa số các phản ứng, khi nhiệt độ tăng 10^oC thì tốc độ phản ứng tăng từ 2 đến 4 lần. Giá trị g = 2 ÷ 4 này được gọi là hệ số nhiệt độ Van’t Hoff.

- Mối liên hệ của hệ số nhiệt độ Van’t Hoff tới tốc độ và nhiệt độ như sau:

$\frac{v_2}{v_1}={\gamma }^{\left(\frac{T_2-T_1}{10}\right)}$

Trong đó, v₂ và v₁ là tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T₂ và T₁ tương ứng.

- Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng trong thực tế: Nước nhanh sôi hơn khi được đun ở nhiệt độ cao; thức ăn bị chậm ôi, thiu khi được để trong tủ lạnh, ...

5. Ảnh hưởng của chất xúc tác

- Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng không bị thay đổi cả về lượng và chất sau phản ứng.

Ví dụ 1: Khi đun nóng, KClO₃ bị phân hủy tương đối chậm theo phương trình:

3KClO₃(s) $\stackrel{t^o}{\to }$ 3KCl(s) + 3O₂(g)

Tuy nhiên tốc độ phản ứng phân hủy này sẽ nhanh hơn rất nhiều khi có mặt chất xúc tác MnO₂. Kết thúc thí nghiệm trên, màu đen của MnO₂ ban đầu vẫn giữ nguyên vì MnO₂ không bị biến đổi sau phản ứng phân hủy KClO₃.

- Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tốc độ phản ứng trong thực tế:

+ Phản ứng tổng hợp NH₃ từ N₂ và H₂ cần sử dụng chất xúc tác là sắt kim loại được trộn thêm Al₂O₃, K₂O, ... để làm tăng tốc độ phản ứng, phản ứng không có chất xúc tác sẽ diễn ra rất chậm.

+ Các enzyme trong cơ thể là những chất xúc tác sinh học thúc đẩy các phản ứng sinh hóa phức tạp trong cơ thể chúng ta. Ví dụ enzyme amylase có trong nước ngọt giúp thủy phân tinh bột thành đường.

B. Trắc nghiệm Tốc độ phản ứng hóa học

Câu 1. Tốc độ phản ứng của một phản ứng hóa học là

A. đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi nồng độ của chất phản ứng trong một đơn vị thời gian

B. đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi nồng độ của chất sản phẩm phản ứng trong một đơn vị thời gian

C. đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi tốc độ chuyển động của chất phản ứng hoặc sản phẩm phản ứng trong một đơn vị thời gian

D. đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi nồng độ của chất phản ứng hoặc sản phẩm phản ứng trong một đơn vị thời gian

Câu 2. Công thức tính $\overline{v}$ của phản ứng: aA + bB ⟶ mM + nN là

A. $\overline{v}$ = $-\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{A}}}{\mathrm{\Delta t}}=-\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{B}}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{M}}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{N}}}{\mathrm{\Delta t}}$

B. $\overline{v}$ = $-\frac{1}{\mathrm{a}}\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{A}}}{\mathrm{\Delta t}}=-\frac{1}{\mathrm{b}}\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{B}}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{1}{\mathrm{m}}\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{M}}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{1}{\mathrm{n}}\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{N}}}{\mathrm{\Delta t}}$

C. $\overline{v}$ = $\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{A}}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{B}}}{\mathrm{\Delta t}}=-\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{M}}}{\mathrm{\Delta t}}=-\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{N}}}{\mathrm{\Delta t}}$

D. $\overline{v}$ = $\frac{1}{\mathrm{a}}\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{A}}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{1}{\mathrm{b}}\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{B}}}{\mathrm{\Delta t}}=-\frac{1}{\mathrm{m}}\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{M}}}{\mathrm{\Delta t}}=-\frac{1}{\mathrm{n}}\frac{{\mathrm{\Delta C}}_{\mathrm{N}}}{\mathrm{\Delta t}}$

Câu 3. Theo định luật tác dụng khối lượng: tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với

A. tích khối lượng các chất tham gia phản ứng với số mũ thích hợp

B. tích thể tích các chất tham gia phản ứng với số mũ thích hợp

C. tích số mol các chất tham gia phản ứng với số mũ thích hợp

D. tích nồng độ các chất tham gia phản ứng với số mũ thích hợp

Câu 4. Với phản ứng đơn giản: aA + bB ⟶ sản phẩm, tốc độ phản ứng được tính theo công thức

A. $v$ = ${\mathrm{kC}}_{\mathrm{A}}^{\mathrm{a}}{\mathrm{C}}_{\mathrm{B}}^{\mathrm{b}}$

B. $v$ = ${\mathrm{kC}}_{\mathrm{A}}^{}{\mathrm{C}}_{\mathrm{B}}^{}$

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

D. $v$ = ${\mathrm{abC}}_{\mathrm{A}}^{}{\mathrm{C}}_{\mathrm{B}}^{}$

Câu 5. Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào các yếu tố

A. nồng độ, áp suất

B. nhiệt độ

C. chất xúc tác, diện tích bề mặt

D. Cả A, B và C

Câu 6. Công thức liên hệ giữa hệ số Van’t Hoff với tốc độ phản ứng và nhiệt độ là

A. $\frac{v_2}{v_1}$ = ${\gamma }^{\left(\frac{T_2-T_1}{10}\right)}$

B. $\frac{v_2}{v_1}$ = ${\gamma }^{\left(T_2-T_1\right)}$

C. $\frac{v_2}{v_1}$ = ${\gamma }^{\left(T_2-T_1\right)\cdot 10}$

D. $\frac{v_2}{v_1}$ = ${\gamma }^{\left(\frac{T_1-T_2}{10}\right)}$

Câu 7. Đơn vị tốc độ phản ứng v là

A. mol L⁻¹ s⁻¹

B. m s

C. M s⁻¹

D. Cả A và C

Câu 8. Cho phản ứng phản ứng:

Tốc độ trung bình của phản ứng trong 100 s đầu tiên tính theo N₂O₅ (g) là

A. 2,325.10⁻⁵ M s⁻¹

B. 4,65.10⁻⁵ M s⁻¹

C. 9,3.10⁻⁵ M s⁻¹

D. 1,55.10⁻⁵ M s⁻¹

Câu 9. Cho phản ứng: 2H₂ (g) + O₂ (g) ⟶ 2H₂O (g).

Theo định luật tác dụng khối lượng, tốc độ của phản ứng là

A. v = $k{C}_{H_2}^{}{C}_{O_2}^{}$

B. v = $k{C}_{H_2}^2{C}_{O_2}^{}$

C. v = $k{C}_{H_2}^2{C}_{O_2}^{}{C}_{H_{2}O}^2$

D. v = $k{C}_{H_{2}O}^2$

Câu 10. Cho phản ứng: 2CO (g) + O₂ (g) ⟶ 2CO₂ (g).

Tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào nếu tăng nồng độ CO gấp 3 lần

A. tăng gấp 3 lần

B. tăng gấp 6 lần

C. tăng gấp 9 lần

D. giảm 3 lần

Xem thêm tóm tắt lý thuyết Hóa học 10 sách Cánh diều hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 13: Phản ứng oxi hóa – khử

Lý thuyết Bài 14: Phản ứng hóa học và enthalpy

Lý thuyết Bài 15: Ý nghĩa và cách tính biến thiên enthalpy phản ứng hóa học

Lý thuyết Bài 17: Nguyên tố và đơn chất halogen

Lý thuyết Bài 18: Hydrogen halide và hydrohalic acid