Đang tải bài học…

AP Chemistry

năng lượng hoạt hóa

activation energy

Năng lượng hoạt hóa là năng lượng tối thiểu mà các chất tham gia phải có để va chạm dẫn đến phản ứng hóa học.

Năng lượng hoạt hóa là rào cản năng lượng mà các phân tử phải vượt qua khi va chạm thì phản ứng mới xảy ra. Theo thuyết va chạm (collision theory), nếu động năng của lần tiếp xúc nhỏ hơn ngưỡng này, các phân tử chỉ nảy ra xa nhau mà không tạo sản phẩm. Ngược lại, khi động năng đủ lớn, liên kết cũ bị bẻ gãy và liên kết mới bắt đầu hình thành, đưa hệ qua trạng thái chuyển tiếp (transition state) rồi mới rơi xuống mức năng lượng của sản phẩm.

Mối liên hệ giữa năng lượng hoạt hóa và tốc độ phản ứng được mô tả bằng phương trình Arrhenius:

$k = A\,e^{-E_a/(RT)}$

Công thức này cho thấy hằng số tốc độ (rate constant) phụ thuộc theo hàm mũ vào tỉ số giữa $E_a$ và nhiệt độ tuyệt đối $T$ . Do đó, chỉ cần tăng nhiệt độ một chút, số phân tử mang đủ năng lượng cũng tăng lên đáng kể, và phản ứng xảy ra nhanh hơn rõ rệt.

Trên đồ thị năng lượng theo tiến trình phản ứng (reaction coordinate), năng lượng hoạt hóa hiện ra như một ngọn đồi nằm giữa chất đầu và sản phẩm. Nhờ đó, ta có thể đọc trực tiếp giá trị $E_a$ từ chênh lệch giữa đỉnh cao nhất và mức năng lượng của chất tham gia. Tuy nhiên, chất xúc tác không làm thay đổi mức năng lượng của chất đầu hay sản phẩm; nó chỉ hạ thấp đỉnh đồi, nên nhiều phân tử hơn vượt qua được rào cản ở cùng một nhiệt độ.

Ký hiệu

E_a

Đơn vịJ/mol hoặc kJ/mol

Trực giác: Giống như hòn bi cần được đẩy đủ mạnh lên đỉnh đồi mới lăn sang được bên kia, phân tử cần hấp thụ đủ năng lượng mới chuyển thành sản phẩm.

Công thức

k = A e^{-\frac{E_a}{RT}}

Dùng khi cần liên hệ hằng số tốc độ $k$ với nhiệt độ tuyệt đối $T$ và năng lượng hoạt hóa $E_a$ của một phản ứng; đây là dạng nguyên thuỷ của phương trình Arrhenius.

Trong đó

k

hằng số tốc độ phản ứng — phụ thuộc bậc phản ứng

A

hệ số Arrhenius (tần số va chạm có định hướng đúng) —

\text{s}^{-1}

E_a

năng lượng hoạt hóa —

\text{J/mol}

R

hằng số khí lý tưởng —

\text{J/(mol·K)}

T

nhiệt độ tuyệt đối —

\text{K}

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1889Svante Arrhenius

Thuật ngữ "năng lượng hoạt hóa" do nhà khoa học Thụy Điển Svante Arrhenius đưa ra năm 1889, nhằm gọi tên lượng năng lượng tối thiểu mà các phân tử chất phản ứng phải vượt qua thì phản ứng mới xảy ra.

Cuối thế kỷ 19, các nhà hóa học đã đo được rằng tốc độ phản ứng tăng rất nhanh khi nhiệt độ tăng, nhưng chưa ai giải thích được vì sao mức tăng lại mạnh đến vậy. Năm 1889, Arrhenius đề xuất rằng không phải mọi va chạm đều dẫn tới phản ứng: chỉ những phân tử mang đủ động năng mới vượt được một rào năng lượng (energy barrier) để biến thành sản phẩm. Từ ý tưởng đó, ông xây dựng hệ thức nối hằng số tốc độ (rate constant) với nhiệt độ, và đại lượng đặc trưng cho rào cản ấy được gọi là năng lượng hoạt hóa. Nhờ vậy, một quan sát thực nghiệm rời rạc trở thành một mô hình định lượng dùng được cho mọi phản ứng.

Thử nghiệm tương tác

Kéo đỉnh hàng rào và mức sản phẩm — xem $E_a$ thuận và $E_a$ nghịch tách nhau ra

Hay hiểu sai

Năng lượng hoạt hóa không phải hiệu năng lượng giữa sản phẩm và chất phản ứng.

Chất xúc tác không cung cấp năng lượng cho phân tử và không hạ thấp đường cong phân bố.

Tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ phản ứng nhưng không hề làm giảm $E_a$ .

Năng lượng hoạt hóa lớn không có nghĩa phản ứng không thể xảy ra hay không tự diễn biến.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Phản ứng

\text{SO}_2(g) + \text{O}_3(g) \rightarrow \text{SO}_3(g) + \text{O}_2(g)

diễn ra qua một bước duy nhất. Trên giản đồ năng lượng theo tọa độ phản ứng (reaction coordinate diagram), các chất phản ứng nằm ở mức thế năng

+50\ \text{kJ/mol}

, đỉnh của đường cong nằm ở

+175\ \text{kJ/mol}

, còn các sản phẩm nằm ở

-20\ \text{kJ/mol}

so với cùng một mốc quy chiếu.

aXác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận và biến thiên enthalpy $\Delta H$ của phản ứng. Phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt?
bXác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng nghịch, tức phản ứng $\text{SO}_3(g) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{SO}_2(g) + \text{O}_3(g)$ .
cKhi có mặt một chất xúc tác, năng lượng hoạt hóa của phản ứng thuận giảm còn $85\ \text{kJ/mol}$ . Tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng nghịch khi đó và cho biết $\Delta H$ có thay đổi không.

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 “Tốc độ phản ứng” — khoá AP Chemistry

Cần trướctrạng thái chuyển tiếp (sắp có)

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

enthalpy phản ứng (enthalpy of reaction)enthalpy of reaction

Khác nhau ở đâuNăng lượng hoạt hóa đo rào năng lượng từ chất phản ứng tới đỉnh giản đồ. Enthalpy phản ứng đo chênh lệch năng lượng giữa sản phẩm và chất phản ứng.

Hay nhầm khiKhi đọc giản đồ tiến trình phản ứng, nhầm mũi tên chỉ đỉnh rào năng lượng với mũi tên chỉ chênh lệch năng lượng đầu và cuối

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 17, 683–684.

\htmlClass{fp-2}{\ln\frac{k_1}{k_2}} = \htmlClass{fp-1}{\frac{E_a}{R}\left(\htmlClass{fp-0}{\frac{1}{T_2} - \frac{1}{T_1}}\right)}

Dùng khi biết hằng số tốc độ ở hai nhiệt độ khác nhau và cần tìm $E_a$ , hoặc ngược lại — biết $E_a$ và một cặp $(k, T)$ để dự đoán $k$ ở nhiệt độ còn lại. Đây là dạng hai điểm, khử được hệ số $A$ .

Trong đó

k_1

hằng số tốc độ tại nhiệt độ

T_1

k_2

hằng số tốc độ tại nhiệt độ

T_2

E_a

năng lượng hoạt hóa —

\text{J/mol}

R

hằng số khí lý tưởng —

\text{J/(mol·K)}

T_1,\, T_2

hai nhiệt độ tuyệt đối cần so sánh —

\text{K}

Vì sao mang đúng cái tên này? Cái tên nghe như thể phân tử cần được "kích hoạt" — và đúng là Arrhenius nghĩ theo hướng đó. Trong hình dung của ông, chất phản ứng phải chuyển sang một dạng giàu năng lượng hơn, dạng "đã hoạt hóa", trước khi có thể tạo sản phẩm; phần năng lượng phải nạp thêm để đạt tới dạng đó chính là năng lượng hoạt hóa. Vì vậy đại lượng này còn có tên gọi khác là năng lượng ngưỡng (threshold energy), nhấn mạnh rằng dưới một mức nhất định thì va chạm dù nhiều đến đâu cũng vô ích. Ý nghĩa của tên gọi hiện rõ nhất trong chính hệ thức mang tên ông: $k = A e^{-E_a/RT}$ Ở đây $k$ là hằng số tốc độ, $A$ là thừa số tần số phản ánh mức độ va chạm, $R$ là hằng số khí, $T$ là nhiệt độ tuyệt đối, còn $E_a$ là năng lượng hoạt hóa. Công thức nói rằng tỉ lệ phân tử vượt được rào cản giảm theo hàm mũ khi $E_a$ lớn lên, và tăng lên khi nhiệt độ tăng — đó là lý do đun nóng làm phản ứng chạy nhanh hơn nhiều so với dự đoán ngây thơ. Về sau, lý thuyết trạng thái chuyển tiếp (transition state theory) diễn giải đỉnh của rào cản ấy như một cấu hình trung gian ngắn ngủi, và đưa ra hệ thức Eyring mô tả từng bước cơ bản của phản ứng thay vì chỉ mô tả hiện tượng. Tuy nhiên cách gọi cũ vẫn được giữ nguyên, bởi hình ảnh "phải hoạt hóa trước khi phản ứng" mô tả đúng bản chất của thứ đang được đo. Trên đồ thị $\ln k$ theo $1/T$ , giá trị $E_a$ hiện ra ngay ở độ dốc của đường thẳng, nên đại lượng này vừa có ý nghĩa lý thuyết vừa lấy được trực tiếp từ số liệu thí nghiệm.

Kéo đỉnh hàng rào và mức sản phẩm — xem $E_a$ thuận và $E_a$ nghịch tách nhau ra

Kéo tham số, thấy khái niệm chuyển động — mở khoá bằng tài khoản 0đ.

Tạo tài khoản miễn phí

Mẹo phòng thi

Khi tính $E_a$ từ đồ thị Arrhenius, nhớ hệ số góc mang dấu âm và $R$ tính bằng $\text{J}$ .

Tự luận xúc tác cần đủ: con đường mới, $E_a$ thấp hơn, tỉ lệ phân tử vượt ngưỡng tăng.

Khi vẽ giản đồ thế năng, luôn ghi nhãn cả $E_a$ lẫn $\Delta H$ bằng hai mũi tên riêng.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

1Bước 1: Trước hết cần nhớ rằng mọi đại lượng trên giản đồ đều là hiệu độ cao, chứ không phải độ cao tuyệt đối. Năng lượng hoạt hóa của chiều thuận là khoảng cách thẳng đứng từ mức chất phản ứng lên tới đỉnh, nơi tồn tại trạng thái chuyển tiếp (transition state):

E_{a,\text{fwd}} = 175 - 50 = 125\ \text{kJ/mol}

Con số này cho biết mỗi mol va chạm phải mang tối thiểu

125\ \text{kJ}

thì liên kết cũ mới đứt được để phản ứng đi tiếp.

2Bước 2: Biến thiên enthalpy lại là hiệu độ cao giữa hai đầu của giản đồ, hoàn toàn không liên quan đến đỉnh:

\Delta H = (-20) - (+50) = -70\ \text{kJ/mol}

Vì sản phẩm nằm thấp hơn chất phản ứng nên hệ đã nhả bớt năng lượng ra môi trường, do đó phản ứng tỏa nhiệt. Đây chính là chỗ đề thi hay gài: một phản ứng tỏa nhiệt vẫn có thể có rào năng lượng rất cao, và

E_a

lớn không hề mâu thuẫn với

\Delta H

âm.

3Bước 3: Đi theo chiều nghịch, ta xuất phát từ mức sản phẩm

-20\ \text{kJ/mol}

và vẫn phải leo lên đúng cái đỉnh

175\ \text{kJ/mol}

đó, vì hai chiều dùng chung một trạng thái chuyển tiếp:

E_{a,\text{rev}} = 175 - (-20) = 195\ \text{kJ/mol}

Có thể kiểm tra lại bằng hệ thức

E_{a,\text{rev}} = E_{a,\text{fwd}} - \Delta H = 125 - (-70) = 195\ \text{kJ/mol}

, khớp với kết quả trên.

4Bước 4: Chất xúc tác (catalyst) mở ra một lối đi khác có đỉnh thấp hơn, nhưng nó không hề dời chỗ hai đầu của giản đồ, nên

\Delta H

vẫn bằng

-70\ \text{kJ/mol}

. Áp dụng lại hệ thức ở Bước 3 với rào mới:

E_{a,\text{rev}}' = 85 - (-70) = 155\ \text{kJ/mol}

Như vậy chất xúc tác hạ rào của cả hai chiều đi đúng

40\ \text{kJ/mol}

, làm cả phản ứng thuận lẫn phản ứng nghịch nhanh lên và vì thế không làm lệch vị trí cân bằng.

Phản ứng giữa $\text{SO}_2$ và $\text{O}_3$ có $E_{a,\text{fwd}} = 125\ \text{kJ/mol}$ , $\Delta H = -70\ \text{kJ/mol}$ nên là phản ứng tỏa nhiệt, và $E_{a,\text{rev}} = 195\ \text{kJ/mol}$ . Khi có xúc tác, rào chiều thuận còn $85\ \text{kJ/mol}$ và rào chiều nghịch còn $155\ \text{kJ/mol}$ , trong khi $\Delta H$ giữ nguyên $-70\ \text{kJ/mol}$ . Trên hình vẽ, mũi tên chỉ $E_a$ phải kéo từ mức chất phản ứng lên đỉnh, còn mũi tên chỉ $\Delta H$ phải kéo từ mức chất phản ứng xuống mức sản phẩm.

2Ví dụ 2/2

Sự phân hủy bậc một của một hợp chất khí trong pha khí có hằng số tốc độ

k_1 = 2.5 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}

ở

300\ \text{K}

và

k_2 = 1.5 \times 10^{-2}\ \text{s}^{-1}

ở

320\ \text{K}

. Cho

R = 8.314\ \text{J}\,\text{mol}^{-1}\text{K}^{-1}

aTính năng lượng hoạt hóa của phản ứng, biểu diễn theo $\text{kJ/mol}$ .
bDự đoán hằng số tốc độ ở $340\ \text{K}$ .
cGiải thích ở mức phân tử vì sao việc tăng nhiệt độ $20\ \text{K}$ lại làm hằng số tốc độ tăng mạnh đến vậy.

1Bước 1: Bài cho hai cặp

(k, T)

nên công cụ thích hợp là dạng hai điểm của phương trình Arrhenius (Arrhenius equation):

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

Vế trái đo mức độ tăng của hằng số tốc độ, còn vế phải cho thấy mức tăng ấy do rào năng lượng

E_a

và khoảng chênh nhiệt độ cùng quyết định.

2Bước 2: Thay số vào từng phần. Tỉ số hằng số tốc độ là

\dfrac{1.5 \times 10^{-2}}{2.5 \times 10^{-3}} = 6.0

, nên

\ln 6.0 = 1.792

. Phần nhiệt độ cho

\frac{1}{300} - \frac{1}{320} = \frac{20}{96000} = 2.083 \times 10^{-4}\ \text{K}^{-1}

Chú ý dấu: viết lại vế phải thành

\dfrac{E_a}{R}\left(\dfrac{1}{T_1} - \dfrac{1}{T_2}\right)

thì cả hai vế đều dương, tránh được lỗi ra

E_a

âm.

3Bước 3: Rút

E_a

ra khỏi biểu thức:

E_a = \frac{R\ln(k_2/k_1)}{\frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2}} = \frac{(8.314)(1.792)}{2.083 \times 10^{-4}} = 7.15 \times 10^{4}\ \text{J/mol}

Vì

R

dùng đơn vị joule nên kết quả cũng ra joule; đổi sang đơn vị quen dùng ta được

E_a \approx 71.5\ \text{kJ/mol}

, một giá trị hoàn toàn hợp lý cho phản ứng phân hủy pha khí.

4Bước 4: Sang ý (b), ta lặp lại đúng công thức nhưng lấy

320\ \text{K}

làm mốc và

340\ \text{K}

làm đích. Ta có

\dfrac{1}{320} - \dfrac{1}{340} = \dfrac{20}{108800} = 1.838 \times 10^{-4}\ \text{K}^{-1}

và

\dfrac{E_a}{R} = \dfrac{71500}{8.314} = 8.60 \times 10^{3}\ \text{K}

. Do đó

\ln\frac{k_3}{k_2} = (8.60 \times 10^{3})(1.838 \times 10^{-4}) = 1.581 \Rightarrow \frac{k_3}{k_2} = e^{1.581} = 4.86

Suy ra

k_3 = 4.86 \times (1.5 \times 10^{-2}) = 7.3 \times 10^{-2}\ \text{s}^{-1}

5Bước 5: Cuối cùng là phần lập luận. Ở một nhiệt độ cho trước, các phân tử không có cùng động năng mà phân bố theo đường cong Maxwell–Boltzmann (Maxwell–Boltzmann distribution); chỉ phần đuôi bên phải, ứng với những phân tử có động năng lớn hơn hoặc bằng

E_a

, mới va chạm đủ mạnh để phản ứng. Khi nhiệt độ tăng, đường cong dẹt xuống và trải rộng sang phải, nên phần diện tích nằm bên phải mốc

E_a

tăng lên nhiều lần dù nhiệt độ chỉ nhích thêm vài phần trăm. Vì tỉ lệ va chạm hiệu quả phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm mũ

e^{-E_a/RT}

chứ không phải theo tỉ lệ thuận, một mức tăng

20\ \text{K}

đã đủ làm hằng số tốc độ gấp khoảng năm đến sáu lần.

Năng lượng hoạt hóa của phản ứng phân hủy này là $E_a \approx 71.5\ \text{kJ/mol}$ , và ở $340\ \text{K}$ hằng số tốc độ được dự đoán vào khoảng $7.3 \times 10^{-2}\ \text{s}^{-1}$ , tức lớn gấp gần năm lần giá trị ở $320\ \text{K}$ . Nguyên nhân là số phân tử mang động năng vượt rào $E_a$ tăng theo hàm mũ khi nhiệt độ tăng, nên chỉ cần hâm nóng thêm $20\ \text{K}$ là tốc độ phân hủy đã đổi hẳn về bậc độ lớn.

phương trình Arrhenius (sắp có)

Liên quannăng lượngthuyết va chạm (sắp có)chất xúc tác

Mục tiêu và lộ trình unit xem miễn phí — làm bài tập và lưu tiến độ cần tài khoản 0đ.