Đang tải bài học…

AP Chemistry

phản ứng tổng

overall reaction

Còn gọi: net reaction · phản ứng chung · tổng các phản ứng · sum of reactions

Phản ứng tổng là phương trình hóa học biểu diễn kết quả cuối cùng khi cộng gộp nhiều bước phản ứng trung gian lại với nhau.

Trong hóa học, nhiều quá trình phức tạp không diễn ra chỉ sau một bước duy nhất mà trải qua nhiều giai đoạn nối tiếp nhau. Thay vì phải theo dõi từng biến đổi nhỏ, các nhà khoa học thường cộng gộp tất cả các phương trình trung gian lại để thu được một phương trình cuối cùng, gọi là phản ứng tổng. Phương trình này chỉ giữ lại những chất tham gia ban đầu và những sản phẩm cuối cùng, đồng thời loại bỏ mọi chất trung gian được sinh ra rồi bị tiêu thụ hết ở các bước lót.

Vì vậy, khi thực hiện phép cộng đại số các phương trình, ta sẽ triệt tiêu những chất xuất hiện ở cả hai vế của toàn bộ hệ thống, nhờ đó thu được một biểu thức gọn gàng mô tả đúng bản chất biến đổi ròng của hệ. Trong nhiệt động lực học (thermodynamics), mối liên hệ này được thể hiện qua công thức: $\Delta H_{\text{net}} = \sum \Delta H_i$ Công thức trên khẳng định biến thiên entanpi (enthalpy) của quá trình chung bằng tổng biến thiên entanpi của các bước thành phần. Nguyên lý này chính là nội dung cốt lõi của định luật Hess (Hess's law), cho phép tính toán nhiệt lượng của những phản ứng khó đo đạc trực tiếp.

Tuy nhiên, người học cần phân biệt rõ ràng giữa phương trình tổng và cơ chế thực tế của phản ứng. Vì entanpi là một hàm trạng thái, giá trị nhiệt lượng tỏa ra hay thu vào chỉ phụ thuộc vào trạng thái đầu và trạng thái cuối, bất kể con đường phản ứng diễn ra như thế nào. Do đó, dù một quá trình có trải qua nhiều bước trung gian hay chỉ một bước duy nhất, phương trình tổng vẫn cho ta cùng một kết quả nhiệt động lực học.

Trực giác: Hãy tưởng tượng bạn đi từ tầng một lên tầng ba bằng thang máy, dù bạn có dừng lại ở tầng hai hay không thì vị trí cuối cùng vẫn chỉ là tầng ba.

Hay hiểu sai

Chất xúc tác và chất trung gian đều biến mất khỏi phản ứng tổng, nhưng chúng không giống nhau.

Không được đọc định luật tốc độ từ hệ số của phản ứng tổng.

Cộng các giai đoạn không phải là gạch bỏ mọi công thức trùng tên.

Phản ứng tổng không được chứa chất trung gian hay chất xúc tác.

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Sự phân hủy axit fomic

\text{HCOOH}

trong môi trường axit sunfuric được đề xuất xảy ra qua ba bước sơ cấp (elementary step) sau: Bước 1:

\text{HCOOH} + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{HCOOH}_2^{+} + \text{HSO}_4^{-}

(chậm) Bước 2:

\text{HCOOH}_2^{+} \rightarrow \text{HCO}^{+} + \text{H}_2\text{O}

(nhanh) Bước 3:

\text{HCO}^{+} + \text{HSO}_4^{-} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2\text{SO}_4

(nhanh)

aViết phương trình phản ứng tổng của cơ chế trên.
bXác định các chất trung gian và chất xúc tác trong cơ chế, giải thích ngắn gọn cách nhận biết.
cViết biểu thức tốc độ phù hợp với cơ chế được đề xuất.

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 nàyNhiệt động lực học · bài “Định luật Hess” — khoá AP Chemistry

Cần trướcchất trung gian phản ứng (sắp có)

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

bước sơ cấp (elementary step)elementary step

Khác nhau ở đâuBước sơ cấp là một giai đoạn đơn lẻ xảy ra đúng như viết, có phân tử số xác định. Phản ứng tổng là phương trình ròng sau khi cộng tất cả bước sơ cấp và triệt tiêu chất trung gian.

Hay nhầm khiĐề cho cơ chế nhiều bước rồi hỏi phương trình nào là phản ứng tổng; học sinh dễ chọn luôn một bước sơ cấp thay vì cộng và rút gọn.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 193, 247, 249.

Mẹo phòng thi

Khi kiểm tra cơ chế, viết vế trái một cột, vế phải một cột rồi gạch.

Trong câu tự luận, phải viết ra chữ "bị tiêu thụ ở bước … và được tái tạo ở bước …".

Đọc kỹ đề xem nó hỏi phản ứng tổng hay phương trình ion thu gọn.

Tần suất trong đề AP ChemistryHay gặp

Bước 1: Cộng dồn cả ba bước lại, đặt toàn bộ chất tham gia của ba bước về vế trái và toàn bộ sản phẩm về vế phải. Ta được

\text{HCOOH} + \text{H}_2\text{SO}_4 + \text{HCOOH}_2^{+} + \text{HCO}^{+} + \text{HSO}_4^{-} \rightarrow \text{HCOOH}_2^{+} + \text{HSO}_4^{-} + \text{HCO}^{+} + \text{H}_2\text{O} + \text{CO} + \text{H}_2\text{SO}_4

. Đây mới là tổng thô, chưa rút gọn, nên chưa phải đáp án.

2Bước 2: Bất kỳ tiểu phân nào xuất hiện với cùng hệ số ở cả hai vế đều bị triệt tiêu, vì nó được sinh ra rồi lại bị tiêu thụ ngay trong cơ chế. Ở đây có bốn tiểu phân như vậy:

\text{HCOOH}_2^{+}

\text{HSO}_4^{-}

\text{HCO}^{+}

và

\text{H}_2\text{SO}_4

. Sau khi gạch bỏ, phản ứng tổng còn lại là

\text{HCOOH} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2\text{O}

. Kiểm tra cân bằng nguyên tố: vế trái có 1 C, 2 H, 2 O; vế phải cũng có 1 C, 2 H, 2 O, nên phương trình đã cân bằng.

3Bước 3: Tuy cùng bị triệt tiêu, bốn tiểu phân trên không cùng một vai trò, và điểm phân biệt nằm ở thứ tự sinh ra hay bị tiêu thụ trước. Chất trung gian (intermediate) được sinh ra trước rồi mới bị dùng hết ở bước sau:

\text{HCOOH}_2^{+}

sinh ở bước 1 và mất ở bước 2, còn

\text{HCO}^{+}

và

\text{HSO}_4^{-}

sinh ở bước 1 và 2 rồi mất ở bước 3. Ngược lại,

\text{H}_2\text{SO}_4

bị tiêu thụ ngay ở bước 1 nhưng được tái tạo nguyên vẹn ở bước 3, nên nó là chất xúc tác (catalyst).

4Bước 4: Bước chậm nhất quyết định tốc độ chung, và với một bước sơ cấp thì hệ số trong phương trình chính là bậc phản ứng theo từng chất. Bước quyết định tốc độ (rate-determining step) ở đây là bước 1, có một phân tử

\text{HCOOH}

va chạm với một phân tử

\text{H}_2\text{SO}_4

, nên

\text{rate} = k[\text{HCOOH}][\text{H}_2\text{SO}_4]

. Biểu thức này cho thấy chất xúc tác vẫn xuất hiện trong biểu thức tốc độ dù không có mặt trong phản ứng tổng — đó chính là lý do phản ứng tổng và biểu thức tốc độ là hai thông tin khác nhau.

Phản ứng tổng là $\text{HCOOH} \rightarrow \text{CO} + \text{H}_2\text{O}$ , tức axit fomic phân hủy thành cacbon monoxit và nước. Ba tiểu phân $\text{HCOOH}_2^{+}$ , $\text{HCO}^{+}$ , $\text{HSO}_4^{-}$ là chất trung gian, còn $\text{H}_2\text{SO}_4$ là chất xúc tác. Vì bước 1 là bước chậm nên tốc độ tuân theo $\text{rate} = k[\text{HCOOH}][\text{H}_2\text{SO}_4]$ .

2Ví dụ 2/2

Một học sinh muốn xác định nhiệt phản ứng của quá trình đốt cháy hoàn toàn khí metan tạo ra khí cacbon đioxit và nước ở thể lỏng, nhưng trong phòng thí nghiệm chỉ đo được nước ở thể hơi. Học sinh tra được hai dữ kiện sau ở

298\ \text{K}

: (1)

\text{CH}_4(g) + 2\,\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 2\,\text{H}_2\text{O}(g)

\Delta H_1 = -802\ \text{kJ}

(2)

\text{H}_2\text{O}(g) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(l)

\Delta H_2 = -44\ \text{kJ}

Khối lượng mol của

\text{CH}_4

lấy bằng

16{,}0\ \text{g/mol}

aChỉ ra cách tổ hợp hai phương trình đã cho để thu được phản ứng tổng cần tìm.
bTính $\Delta H$ của phản ứng tổng.
cTính nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy hoàn toàn $8{,}00\ \text{g}$ metan theo phản ứng tổng đó.

1Bước 1: Trước hết phải xác định đích đến: phản ứng tổng cần có

\text{CH}_4(g)

và

\text{O}_2(g)

ở vế trái,

\text{CO}_2(g)

và

2\,\text{H}_2\text{O}(l)

ở vế phải. Phương trình (1) đã cho đúng chất đầu nhưng sản phẩm là

2\,\text{H}_2\text{O}(g)

, còn phương trình (2) chỉ chuyển được một mol hơi nước thành nước lỏng. Vì vậy ta giữ nguyên (1) và nhân (2) với hệ số

2

2Bước 2: Nhân một phương trình với hệ số nào thì nhân biến thiên entanpi của nó với đúng hệ số ấy, vì entanpi là đại lượng tỉ lệ với lượng chất. Phương trình (2) sau khi nhân đôi trở thành

2\,\text{H}_2\text{O}(g) \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}(l)

với

2\Delta H_2 = 2 \times (-44) = -88\ \text{kJ}

. Cộng phương trình này với (1), lượng

2\,\text{H}_2\text{O}(g)

xuất hiện ở vế phải của (1) và vế trái của (2) triệt tiêu nhau, cho phản ứng tổng

\text{CH}_4(g) + 2\,\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 2\,\text{H}_2\text{O}(l)

3Bước 3: Theo định luật Hess (Hess's law), entanpi chỉ phụ thuộc trạng thái đầu và trạng thái cuối chứ không phụ thuộc đường đi, nên biến thiên entanpi của phản ứng tổng bằng tổng các biến thiên thành phần:

\Delta H = \Delta H_1 + 2\Delta H_2 = (-802) + (-88) = -890\ \text{kJ}

Giá trị âm cho biết phản ứng tỏa nhiệt, và nó âm hơn

\Delta H_1

là hợp lý vì quá trình ngưng tụ hơi nước giải phóng thêm nhiệt.

4Bước 4: Đổi khối lượng metan sang số mol:

n = \dfrac{8{,}00}{16{,}0} = 0{,}500\ \text{mol}

. Hệ số của

\text{CH}_4

trong phản ứng tổng là

1

, nên

-890\ \text{kJ}

ứng với đúng một mol metan, và nhiệt lượng tương ứng với

0{,}500

mol là

q = 0{,}500 \times (-890) = -445\ \text{kJ}

. Dấu âm chỉ hệ nhường nhiệt cho môi trường, tức môi trường nhận được

445\ \text{kJ}

Cộng phương trình (1) với hai lần phương trình (2) sẽ khử được $2\,\text{H}_2\text{O}(g)$ và cho phản ứng tổng $\text{CH}_4(g) + 2\,\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 2\,\text{H}_2\text{O}(l)$ với $\Delta H = -890\ \text{kJ}$ . Do đó, đốt cháy hoàn toàn $8{,}00\ \text{g}$ metan (tức $0{,}500\ \text{mol}$ ) tỏa ra $445\ \text{kJ}$ nhiệt.

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