AP Chemistry

động học hóa học

chemical kinetics

Còn gọi: kinetics · động học phản ứng

Động học hóa học là ngành nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học và các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ đó.

Động học hóa học là nhánh của hóa học nghiên cứu tốc độ phản ứng (reaction rate) và những yếu tố quyết định tốc độ ấy. Khác với nhiệt động lực học chỉ cho biết phản ứng có xảy ra hay không, động học trả lời câu hỏi nhanh hay chậm. Nhờ đó, nhà hóa học có thể kiểm soát quá trình sản xuất công nghiệp hoặc dự đoán thời gian phân hủy của dược phẩm.

Tốc độ của một phản ứng được đo bằng độ biến thiên nồng độ của chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian. Mối liên hệ giữa tốc độ và nồng độ các chất được biểu diễn qua định luật tốc độ (rate law), có dạng tổng quát $v = k[\text{A}]^m[\text{B}]^n$ . Trong biểu thức này, $k$ là hằng số tốc độ, đặc trưng cho từng phản ứng ở một nhiệt độ xác định, còn các số mũ $m$ và $n$ được xác định bằng thực nghiệm chứ không suy ra từ hệ số cân bằng.

Ở mức phân tử, phản ứng chỉ xảy ra khi các tiểu phân va chạm với năng lượng đủ lớn để vượt qua rào thế năng gọi là năng lượng hoạt hóa (activation energy). Vì vậy, tăng nhiệt độ làm tăng số va chạm hiệu quả và đẩy nhanh tốc độ phản ứng. Ngược lại, chất xúc tác hạ thấp năng lượng hoạt hóa bằng cách mở ra con đường mới, nhờ đó tăng tốc độ mà không bị tiêu hao. Chính trình tự các bước sơ cấp này tạo nên cơ chế phản ứng (reaction mechanism), cho ta hiểu rõ hành trình mà các phân tử đã đi từ chất đầu đến sản phẩm.

Ký hiệu

• $v$ — tốc độ phản ứng
• $k$ — hằng số tốc độ
• $[\text{A}]$ — nồng độ chất A
• $m, n$ — bậc phản ứng

Đơn vịTốc độ: mol/(L·s) hay M/s; Hằng số tốc độ $k$: phụ thuộc bậc phản ứng, ví dụ bậc nhất là s⁻¹, bậc hai là M⁻¹·s⁻¹

Trực giác: Giống như đo tốc độ xe chạy trên đường — động học không hỏi xe đi từ đâu đến đâu, mà hỏi xe chạy nhanh bao nhiêu và đường xá, thời tiết ảnh hưởng thế nào đến tốc độ ấy.

Công thức

\text{Rate} = k[\text{A}]^m[\text{B}]^n

Dùng để biểu diễn định luật tốc độ của một phản ứng, liên hệ tốc độ tức thời với nồng độ các chất tham gia tại một thời điểm cụ thể.

Trong đó

\text{Rate}

Tốc độ phản ứng — M/s

k

Hằng số tốc độ phản ứng

[\text{A}]

Nồng độ mol của chất phản ứng A — M

[\text{B}]

Nồng độ mol của chất phản ứng B — M

m

Bậc phản ứng đối với A

n

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1850Ludwig WilhelmyWilhelm OstwaldSvante Arrhenius

Động học hóa học ra đời năm 1850, khi nhà khoa học người Đức Ludwig Wilhelmy lần đầu đo tốc độ phản ứng (reaction rate) một cách định lượng; các khái niệm nền tảng của môn học được Wilhelm Ostwald và Svante Arrhenius bổ sung vào cuối thế kỷ 19.

Trước giữa thế kỷ 19, hóa học chủ yếu trả lời câu hỏi phản ứng cho ra chất gì, chứ ít khi hỏi phản ứng chạy nhanh chậm ra sao. Năm 1850, Wilhelmy thực hiện nghiên cứu định lượng đầu tiên về tốc độ phản ứng, và một lĩnh vực mới hình thành từ đó. Ba mươi năm sau, Ostwald đưa ra các thuật ngữ bậc phản ứng và chu kỳ bán rã trong bộ giáo trình hóa học đại cương của ông, còn Arrhenius phân tích sự phụ thuộc của hằng số tốc độ vào nhiệt độ. Nhờ đó, tốc độ phản ứng chuyển từ quan sát mơ hồ thành đại lượng đo được và tiên đoán được.

Thử nghiệm tương tác

Rê mốc thời gian dọc đường cong — đọc độ dốc tại từng thời điểm

Hay hiểu sai

Số mũ trong phương trình tốc độ (rate law) không lấy từ hệ số cân bằng.

Phản ứng tự diễn biến chưa chắc xảy ra nhanh.

Chất xúc tác không làm thay đổi $\Delta H$ hay hằng số cân bằng.

Chu kỳ bán rã chỉ là hằng số với phản ứng bậc một.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Ở 1000 K, phản ứng

2\,\mathrm{NO}(g) + 2\,\mathrm{H_2}(g) \rightarrow \mathrm{N_2}(g) + 2\,\mathrm{H_2O}(g)

được khảo sát bằng cách đo tốc độ đầu ứng với ba bộ nồng độ khác nhau. Kết quả thu được như sau: | Thí nghiệm |

[\mathrm{NO}]_0

(M) |

[\mathrm{H_2}]_0

(M) | Tốc độ đầu (M/s) | |---|---|---|---|10,100,10

1{,}23\times10^{-3}

20,100,20

2{,}46\times10^{-3}

30,200,10

4{,}92\times10^{-3}

Một cơ chế được đề xuất gồm ba giai đoạn:

2\,\mathrm{NO} \rightleftharpoons \mathrm{N_2O_2}

(nhanh, cân bằng),

\mathrm{N_2O_2} + \mathrm{H_2} \rightarrow \mathrm{N_2O} + \mathrm{H_2O}

(chậm),

\mathrm{N_2O} + \mathrm{H_2} \rightarrow \mathrm{N_2} + \mathrm{H_2O}

(nhanh).

aXác định bậc riêng phần đối với NO và đối với H₂, rồi viết định luật tốc độ (rate law) của phản ứng.
bTính giá trị hằng số tốc độ k ở 1000 K và ghi kèm đơn vị.
c

Bạn nắm chắc chưa?

Quiz câu thật từ ngân hàng đề

Vài câu thật gắn đúng khái niệm này, chấm ngay kèm giải thích từng đáp án — hệ thống ghi nhớ bạn nắm tới đâu.

Tạo tài khoản miễn phí

Học tiếp từ đây

Bài học chứa thuật ngữ nàyĐộng học · bài “Động học” — khoá AP Chemistry

Cần trướcnồng độ

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

nhiệt động lực học (thermodynamics)thermodynamics

Khác nhau ở đâuNhiệt động lực học trả lời phản ứng có xảy ra hay không và dừng ở đâu. Động học hóa học trả lời phản ứng xảy ra nhanh hay chậm.

Hay nhầm khiđề hỏi tại sao phản ứng tự phát lại không quan sát được sản phẩm — cần phân biệt nhiệt động thuận lợi và động học chậm do năng lượng hoạt hóa cao

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 11, 17, 661.

1Bước 1: Muốn dùng phương pháp tốc độ đầu (method of initial rates), ta phải so sánh hai thí nghiệm chỉ khác nhau ở một nồng độ. Giữa thí nghiệm 1 và 2, nồng độ NO giữ nguyên còn nồng độ H₂ tăng gấp đôi:

\frac{2{,}46\times10^{-3}}{1{,}23\times10^{-3}} = 2{,}00

trong khi

\frac{0{,}20}{0{,}10} = 2{,}00

. Vì

2^m = 2

nên

m = 1

, tức phản ứng bậc một đối với H₂.

2Bước 2: Giữa thí nghiệm 1 và 3, nồng độ H₂ được giữ cố định còn nồng độ NO tăng gấp đôi, và tốc độ tăng

\frac{4{,}92\times10^{-3}}{1{,}23\times10^{-3}} = 4{,}00

lần. Từ

2^n = 4

ta có

n = 2

, nghĩa là bậc hai đối với NO. Do đó định luật tốc độ là

v = k[\mathrm{NO}]^2[\mathrm{H_2}]

, và bậc phản ứng (reaction order) tổng cộng bằng

2 + 1 = 3

. Lưu ý rằng các số mũ này đến từ thực nghiệm chứ không đọc được từ hệ số cân bằng của phương trình.

3Bước 3: Thay số liệu của thí nghiệm 1 vào định luật tốc độ vừa tìm được:

k = \dfrac{v}{[\mathrm{NO}]^2[\mathrm{H_2}]} = \dfrac{1{,}23\times10^{-3}}{(0{,}10)^2(0{,}10)} = \dfrac{1{,}23\times10^{-3}}{1{,}0\times10^{-3}} = 1{,}23

. Đơn vị suy ra từ

\mathrm{M\,s^{-1}} \div \mathrm{M^3} = \mathrm{M^{-2}\,s^{-1}}

, nên

k = 1{,}23\ \mathrm{M^{-2}s^{-1}}

. Thay dữ liệu của thí nghiệm 2 hoặc 3 cũng cho cùng giá trị, đây là cách kiểm tra lại kết quả.

4Bước 4: Với

[\mathrm{NO}] = 0{,}15

M và

[\mathrm{H_2}] = 0{,}25

M, ta có

v = 1{,}23 \times (0{,}15)^2 \times 0{,}25

. Tính lần lượt:

(0{,}15)^2 = 0{,}0225

, rồi

0{,}0225 \times 0{,}25 = 5{,}625\times10^{-3}

, và cuối cùng

1{,}23 \times 5{,}625\times10^{-3} = 6{,}92\times10^{-3}

. Vậy tốc độ đầu xấp xỉ

6{,}9\times10^{-3}

M/s, lớn hơn thí nghiệm 1 khoảng 5,6 lần.

5Bước 5: Giai đoạn chậm là bước quyết định tốc độ (rate-determining step), nên

v = k_2[\mathrm{N_2O_2}][\mathrm{H_2}]

. Nhưng

\mathrm{N_2O_2}

là chất trung gian, không được phép xuất hiện trong định luật tốc độ cuối cùng; nhờ cân bằng nhanh ở giai đoạn một,

K = \dfrac{[\mathrm{N_2O_2}]}{[\mathrm{NO}]^2}

nên

[\mathrm{N_2O_2}] = K[\mathrm{NO}]^2

. Thay vào ta được

v = k_2K[\mathrm{NO}]^2[\mathrm{H_2}]

, đúng dạng thực nghiệm với

k = k_2K

. Vì vậy cơ chế này chấp nhận được, tuy điều đó chỉ chứng tỏ nó không mâu thuẫn với dữ liệu chứ chưa chứng minh nó là cơ chế duy nhất.

2Ví dụ 2/2

Đinitơ pentaoxit phân hủy theo phương trình

2\,\mathrm{N_2O_5}(g) \rightarrow 4\,\mathrm{NO_2}(g) + \mathrm{O_2}(g)

. Một học sinh theo dõi nồng độ

\mathrm{N_2O_5}

trong bình kín ở nhiệt độ không đổi và ghi được: tại

t = 0

là 0,100 M; tại

t = 200

s là 0,0670 M; tại

t = 400

s là 0,0449 M; tại

t = 600

s là 0,0301 M. Giả thiết tốc độ mất đi của chất đầu tuân theo

-\dfrac{d[\mathrm{N_2O_5}]}{dt} = k[\mathrm{N_2O_5}]^x

aChứng tỏ phản ứng là bậc một đối với N₂O₅ bằng cách chọn đồ thị phù hợp.
bTính hằng số tốc độ k và chu kỳ bán rã của N₂O₅.
cTính thời gian cần để nồng độ N₂O₅ giảm còn 0,0100 M.

1Bước 1: Cách nhận bậc phản ứng từ dữ liệu nồng độ theo thời gian là thử ba đồ thị tuyến tính:

[\mathrm{A}]

theo

t

cho bậc không,

\ln[\mathrm{A}]

theo

t

cho bậc một, và

1/[\mathrm{A}]

theo

t

cho bậc hai. Lấy logarit các số liệu:

\ln(0{,}100) = -2{,}303

;

\ln(0{,}0670) = -2{,}703

;

\ln(0{,}0449) = -3{,}103

;

\ln(0{,}0301) = -3{,}503

. Các giá trị này giảm đều đúng 0,400 sau mỗi 200 s, nên đồ thị

\ln[\mathrm{N_2O_5}]

theo

t

là đường thẳng và phản ứng bậc một, tức

x = 1

2Bước 2: Với bậc một, phương trình tích phân là

\ln[\mathrm{A}]_t = -kt + \ln[\mathrm{A}]_0

, nghĩa là hệ số góc của đường thẳng bằng

-k

. Tính hệ số góc từ hai điểm đầu và cuối:

\dfrac{-3{,}503 - (-2{,}303)}{600 - 0} = \dfrac{-1{,}200}{600} = -2{,}00\times10^{-3}

. Do đó

k = 2{,}00\times10^{-3}\ \mathrm{s^{-1}}

; đơn vị

\mathrm{s^{-1}}

là dấu hiệu quen thuộc của phản ứng bậc một.

3Bước 3: Chu kỳ bán rã (half-life) của phản ứng bậc một không phụ thuộc nồng độ đầu và được tính bằng

t_{1/2} = \dfrac{0{,}693}{k} = \dfrac{0{,}693}{2{,}00\times10^{-3}} = 347

s. Kiểm chứng bằng số liệu: sau khoảng 347 s nồng độ phải còn 0,0500 M, và quả thật giá trị đo được nằm giữa 0,0670 M ở 200 s với 0,0449 M ở 400 s. Sự trùng khớp này củng cố kết luận về bậc phản ứng.

4Bước 4: Để nồng độ giảm từ 0,100 M xuống 0,0100 M, thay vào phương trình tích phân:

\ln\dfrac{0{,}100}{0{,}0100} = kt

, tức

\ln 10 = 2{,}303 = (2{,}00\times10^{-3})t

. Vậy

t = \dfrac{2{,}303}{2{,}00\times10^{-3}} = 1{,}15\times10^{3}

s. Con số này cũng hợp lý về mặt định tính vì giảm mười lần tương ứng hơn ba chu kỳ bán rã một chút, mà

3 \times 347 = 1041

Vì $\ln[\mathrm{N_2O_5}]$ biến thiên tuyến tính theo thời gian nên sự phân hủy là bậc một đối với N₂O₅, với hằng số tốc độ $k = 2{,}00\times10^{-3}\ \mathrm{s^{-1}}$ và chu kỳ bán rã 347 s ở nhiệt độ khảo sát. Muốn nồng độ tụt từ 0,100 M xuống 0,0100 M, hỗn hợp cần được giữ khoảng $1{,}15\times10^{3}$ s, tức chừng 19 phút.

Công thức

Khái niệm này sinh ra từ đâu

Thử nghiệm tương tác

Hay hiểu sai

Ví dụ có lời giải

Bạn nắm chắc chưa?

Học tiếp từ đây

Hay nhầm với

Nguồn tham khảo

Mẹo phòng thi