Đang tải bài học…

AP Chemistry

tốc độ phản ứng

rate of reaction

Còn gọi: reaction rate · tốc độ phản ứng hóa học · rate of a reaction · rate · tốc độ quá trình · tốc độ đo được · measurable rate · noticeable rate

Tốc độ phản ứng là độ biến thiên nồng độ chất tham gia hoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian, luôn quy ước mang giá trị dương.

Khi một phản ứng (reaction) xảy ra, nồng độ các chất tham gia giảm dần còn nồng độ sản phẩm tăng lên, và câu hỏi tự nhiên là quá trình đó diễn ra nhanh hay chậm. Tốc độ phản ứng chính là câu trả lời định lượng cho câu hỏi ấy: nó đo lượng nồng độ thay đổi được trong mỗi giây. Vì nồng độ chất tham gia giảm nên biến thiên của nó âm, do đó ta thêm dấu trừ để tốc độ luôn là số dương theo quy ước.

Vì vậy, để áp dụng quy ước này cho một phản ứng tổng (overall reaction) tổng quát, ta xét $a\mathrm{A} + b\mathrm{B} \rightarrow c\mathrm{C} + d\mathrm{D}$ và viết tốc độ chung như sau:

$\text{rate} = -\frac{1}{{a}}\frac{\Delta[\mathrm{A}]}{\Delta t} = -\frac{1}{b}\frac{\Delta[\mathrm{B}]}{\Delta t} = \frac{1}{c}\frac{\Delta[\mathrm{C}]}{\Delta t} = \frac{1}{d}\frac{\Delta[\mathrm{D}]}{\Delta t}$

Mỗi phân số cho biết nồng độ của một chất đổi bao nhiêu mol trên lít trong mỗi giây, còn việc chia cho hệ số tỉ lượng (stoichiometric coefficients) khiến bốn biểu thức bằng nhau. Nhờ đó, dù theo dõi chất nào ta cũng thu về cùng một con số duy nhất cho phản ứng. Nếu quên chia hệ số, hai người đo hai chất khác nhau sẽ báo hai giá trị lệch nhau đúng bằng tỉ số hệ số.

Hơn nữa, trên thực tế cần phân biệt hai cách đọc số liệu. Tốc độ trung bình lấy chênh lệch nồng độ giữa hai mốc thời gian rồi chia cho khoảng thời gian, tức là hệ số góc của dây cung nối hai điểm trên đồ thị nồng độ – thời gian. Ngược lại, tốc độ tức thời là hệ số góc của tiếp tuyến tại một thời điểm, phản ánh đúng độ nhanh ngay lúc đó. Vì đường cong nồng độ thoải dần khi chất tham gia cạn đi, tốc độ tức thời giảm theo thời gian; do vậy đề thi thường yêu cầu tốc độ đầu tại $t = 0$ , khi sản phẩm chưa kịp tích tụ và phản ứng nghịch chưa đáng kể.

Ký hiệurate,

-\Delta[\mathrm{A}]/\Delta t

\Delta[\mathrm{C}]/\Delta t

Đơn vịM/s, tức mol·L⁻¹·s⁻¹ (cũng có thể dùng M/min, M/h)

Trực giác: Giống như đo xe chạy nhanh chậm bằng số ki-lô-mét đi được mỗi giờ, chỉ khác là ở đây ta đếm nồng độ mất đi hay sinh ra mỗi giây.

Công thức

\text{rate} = \htmlClass{fp-2}{-\htmlClass{fp-1}{\frac{1}{a}}\htmlClass{fp-0}{\frac{\Delta[\mathrm{A}]}{\Delta t}}} = -\frac{1}{b}\frac{\Delta[\mathrm{B}]}{\Delta t} = \htmlClass{fp-3}{\frac{1}{c}\frac{\Delta[\mathrm{C}]}{\Delta t} = \frac{1}{d}\frac{\Delta[\mathrm{D}]}{\Delta t}}

Dùng khi đề cho phương trình $a\mathrm{A}+b\mathrm{B}\rightarrow c\mathrm{C}+d\mathrm{D}$ và hỏi liên hệ giữa tốc độ mất đi của một chất phản ứng với tốc độ hình thành của một sản phẩm.

Trong đó

[\mathrm{A}]

nồng độ mol của chất A — M (mol/L)

\Delta t

khoảng thời gian đang xét — s

a, b, c, d

hệ số tỉ lượng trong phương trình đã cân bằng

Khái niệm này sinh ra từ đâu

1850Ludwig WilhelmyWilhelm OstwaldSvante ArrheniusHenry EyringMax Trautz

Thử nghiệm tương tác

Kéo mốc thời gian — nhìn tiếp tuyến thoải dần khi HCl cạn

Hay hiểu sai

Nghiền nhỏ chất rắn không làm tăng hằng số tốc độ (rate constant).

Chất rắn nguyên chất không có nồng độ để đưa vào biểu thức tốc độ.

Tốc độ phản ứng phải chia cho hệ số tỉ lượng thì mới thống nhất giữa các chất.

Tốc độ không phải là hằng số trong suốt phản ứng.

Mẹo phòng thi

Ví dụ có lời giải

1Ví dụ 1/2

Ở 55 °C, đinitơ pentoxit phân hủy trong pha khí theo phương trình

2\,\text{N}_2\text{O}_5(g) \rightarrow 4\,\text{NO}_2(g) + \text{O}_2(g)

. Nồng độ

\text{N}_2\text{O}_5

được theo dõi theo thời gian và cho kết quả sau: tại

t = 0

s là

0.100\ M

; tại

t = 200

s là

0.0707\ M

; tại

t = 400

s là

0.0500\ M

; tại

t = 600

s là

0.0354\ M

aTính tốc độ trung bình của sự mất đi của $\text{N}_2\text{O}_5$ trong khoảng từ $t = 0$ s đến $t = 200$ s.
bTừ kết quả câu (a), tính tốc độ trung bình của sự tạo thành $\text{NO}_2$ và của $\text{O}_2$ trong cùng khoảng thời gian đó.
cTính tốc độ trung bình của sự mất đi của $\text{N}_2\text{O}_5$ trong khoảng từ $t = 400$ s đến $t = 600$ s và giải thích vì sao nó khác kết quả câu (a).

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 trướchệ số tỉ lượng

Hay nhầm với

Thuật ngữKhác nhau ở đâuHay nhầm khi

hằng số tốc độrate constant

Khác nhau ở đâuTốc độ phản ứng phụ thuộc nồng độ nên giảm dần khi chất phản ứng bị tiêu thụ. Hằng số tốc độ chỉ đổi khi thay đổi nhiệt độ hoặc thêm chất xúc tác.

Hay nhầm khiĐề cho bảng nồng độ theo thời gian rồi hỏi đại lượng nào không đổi trong suốt thí nghiệm; thí sinh hay trả lời nhầm là tốc độ.

định luật tốc độrate law

Khác nhau ở đâuTốc độ phản ứng là một giá trị đo được tại một thời điểm cụ thể. Định luật tốc độ là phương trình nối giá trị đó với nồng độ các chất phản ứng.

Hay nhầm khiCâu hỏi yêu cầu "viết rate law" nhưng thí sinh chỉ tính ra một con số tốc độ tức thời rồi dừng lại.

Nguồn tham khảo

[1]Chemistry The Central Science in SI Units 15th Expanded Global Edition. tr. 664, 666, 668.

tốc độ phản ứng chung — M/s

\text{avg rate} = -\frac{[\mathrm{A}]_2-[\mathrm{A}]_1}{t_2-t_1}

Dùng khi bảng số liệu chỉ cho nồng độ tại vài mốc thời gian rời rạc: kết quả là tốc độ trung bình (average rate) trên cả khoảng, tức độ dốc của đường thẳng nối hai điểm.

Trong đó

[\mathrm{A}]_1, [\mathrm{A}]_2

nồng độ chất phản ứng ở đầu và cuối khoảng — M

t_1, t_2

hai mốc thời gian tương ứng — s

\text{inst rate} = -\frac{d[\mathrm{A}]}{dt}

Dùng khi câu hỏi yêu cầu tốc độ tức thời (instantaneous rate) tại một thời điểm, kể cả tốc độ đầu (initial rate) tại $t=0$ ; trên đồ thị nồng độ theo thời gian, giá trị này bằng độ dốc của tiếp tuyến (tangent line) tại điểm đó, lấy dấu ngược lại.

Trong đó

d[\mathrm{A}]/dt

độ dốc tức thời của đường cong nồng độ theo thời gian — M/s

Tốc độ phản ứng trở thành đại lượng đo được từ năm 1850, khi Ludwig Wilhelmy ở Đức thực hiện nghiên cứu định lượng đầu tiên về việc một phản ứng diễn ra nhanh chậm ra sao theo thời gian; các thế hệ sau — Ostwald, Arrhenius, rồi Eyring — bổ sung cách mô tả sự phụ thuộc của tốc độ vào nồng độ và nhiệt độ.

Hóa học thế kỷ 19 đã biết chất nào biến thành chất nào, nhưng chưa có cách nói cho ra số việc phản ứng chạy nhanh đến đâu. Năm 1850, Wilhelmy đo sự biến đổi theo thời gian của một phản ứng và mở ra ngành động học hóa học (chemical kinetics). Từ đó câu hỏi mở rộng dần: Ostwald năm 1887 đưa ra cách phân loại theo bậc phản ứng (reaction order) và chu kỳ bán rã, còn Arrhenius năm 1889 phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ bằng $k = A\exp(-B/T)$ và giải thích nó như một rào cản năng lượng. Công thức này nói rằng hằng số tốc độ tăng rất nhanh khi nhiệt độ tăng, vì thừa số mũ chứa rào cản đó.

Vì sao mang đúng cái tên này? Chữ "tốc độ" trong tên gọi không phải là hình ảnh vay mượn mà là nghĩa đen: ngay từ nghiên cứu năm 1850, đại lượng này được lập ra để đo lượng chất biến đổi trong một đơn vị thời gian, đúng như cách người ta đo tốc độ chuyển động. Vì vậy các thuật ngữ mọc ra quanh nó đều mang dấu vết của việc đo đạc chứ không phải của lý thuyết: Ostwald đặt tên bậc phản ứng theo số mũ xuất hiện trong biểu thức thực nghiệm, còn Arrhenius gắn phần phụ thuộc nhiệt độ với ý niệm rào cản, từ đó sinh ra tên gọi năng lượng hoạt hóa (activation energy). Sang thế kỷ 20, cách hình dung nguyên nhân mới quyết định tên gọi: Trautz và Lewis năm 1917 cho rằng tốc độ do tần suất va chạm phân tử định đoạt nên lý thuyết của họ mang tên thuyết va chạm (collision theory), trong khi Eyring năm 1935 mô tả phản ứng đi qua một cấu trúc trung gian giữa chất phản ứng và sản phẩm, gọi là phức chất hoạt hóa, và cách tiếp cận này được biết đến với tên thuyết trạng thái chuyển tiếp (transition state theory).

Kéo mốc thời gian — nhìn tiếp tuyến thoải dần khi HCl cạn

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

Tạo tài khoản miễn phí

Khi giải thích ảnh hưởng của một yếu tố, phải nói tới va chạm ở mức hạt.

Câu hỏi "thay đổi nào làm tăng tốc độ?" thường có bẫy về biến không liên quan.

Chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa, không làm phản ứng tỏa nhiệt hơn.

Tần suất trong đề AP ChemistryThường xuyên

Bước 1: Trước hết phải gắn tốc độ với hệ số tỉ lượng, vì mỗi chất biến đổi với nhịp độ khác nhau tùy hệ số của nó trong phương trình. Với phản ứng đã cho, tốc độ chung của phản ứng được viết là

\text{rate} = -\frac{1}{2}\frac{\Delta[\text{N}_2\text{O}_5]}{\Delta t} = \frac{1}{4}\frac{\Delta[\text{NO}_2]}{\Delta t} = \frac{\Delta[\text{O}_2]}{\Delta t}.

Dấu trừ đứng trước số hạng của chất phản ứng chỉ để đổi một biến thiên âm thành một tốc độ dương, chứ không mang ý nghĩa vật lý nào khác.

2Bước 2: Với câu (a), áp dụng định nghĩa tốc độ trung bình (average rate) cho khoảng

0 \to 200

-\frac{\Delta[\text{N}_2\text{O}_5]}{\Delta t} = -\frac{0.0707 - 0.100}{200 - 0} = \frac{0.0293}{200} = 1.47\times10^{-4}\ M\,\text{s}^{-1}.

Con số này cho biết trung bình mỗi giây có khoảng

1.47\times10^{-4}

mol

\text{N}_2\text{O}_5

trong mỗi lít bị tiêu thụ trong 200 giây đầu.

3Bước 3: Sang câu (b), dùng lại tỉ lệ ở Bước 1 để quy đổi. Vì cứ 2 phân tử

\text{N}_2\text{O}_5

mất đi thì sinh ra 4 phân tử

\text{NO}_2

, tốc độ tạo

\text{NO}_2

gấp đôi tốc độ mất

\text{N}_2\text{O}_5

\frac{\Delta[\text{NO}_2]}{\Delta t} = 2\,(1.47\times10^{-4}) = 2.93\times10^{-4}\ M\,\text{s}^{-1}.

Ngược lại,

\text{O}_2

chỉ sinh ra với một nửa nhịp độ đó:

\frac{\Delta[\text{O}_2]}{\Delta t} = \tfrac{1}{2}(1.47\times10^{-4}) = 7.3\times10^{-5}\ M\,\text{s}^{-1}.

Giá trị

7.3\times10^{-5}\ M\,\text{s}^{-1}

cũng chính là tốc độ chung của phản ứng trong khoảng này.

4Bước 4: Với câu (c), lặp lại phép tính cho khoảng

400 \to 600

-\frac{0.0354 - 0.0500}{600 - 400} = \frac{0.0146}{200} = 7.3\times10^{-5}\ M\,\text{s}^{-1}.

Tốc độ này chỉ bằng một nửa kết quả câu (a). Nguyên nhân là nồng độ chất phản ứng đã giảm, nên số va chạm hiệu quả trong mỗi đơn vị thời gian ít đi; tốc độ phản ứng phụ thuộc nồng độ nên nó giảm dần theo thời gian chứ không phải một hằng số.

5Bước 5: Cần nói thêm một điều mà đề hay gài: các con số trên đều là giá trị trung bình trên một khoảng, không phải tốc độ tức thời (instantaneous rate) tại một thời điểm. Muốn có tốc độ tức thời thì phải vẽ đồ thị

[\text{N}_2\text{O}_5]

theo

t

rồi lấy độ dốc của tiếp tuyến tại điểm cần xét. Vì đường cong dốc mạnh ở đầu rồi thoải dần, tốc độ ban đầu (tại

t = 0

) luôn lớn hơn mọi tốc độ trung bình tính được sau đó.

Trong 200 giây đầu, $\text{N}_2\text{O}_5$ mất đi với tốc độ trung bình $1.47\times10^{-4}\ M\,\text{s}^{-1}$ ; tương ứng $\text{NO}_2$ sinh ra với $2.93\times10^{-4}\ M\,\text{s}^{-1}$ và $\text{O}_2$ với $7.3\times10^{-5}\ M\,\text{s}^{-1}$ . Đến khoảng $400$ – $600$ s, tốc độ mất đi của $\text{N}_2\text{O}_5$ chỉ còn $7.3\times10^{-5}\ M\,\text{s}^{-1}$ , tức giảm một nửa, cho thấy tốc độ phản ứng nhỏ dần khi chất phản ứng loãng đi.

2Ví dụ 2/2

Kẽm phản ứng với dung dịch axit clohiđric theo phương trình

\text{Zn}(s) + 2\,\text{HCl}(aq) \rightarrow \text{ZnCl}_2(aq) + \text{H}_2(g)

. Trong thí nghiệm 1, một mẩu

\text{Zn}(s)

nguyên khối nặng

5.0

g được cho vào

100.

mL dung dịch

\text{HCl}

0.10\ M

ở

25\ ^\circ\text{C}

, khí

\text{H}_2

sinh ra được thu và đo thể tích theo thời gian ở

1.00

atm. Trong thí nghiệm 2, cũng

5.0

\text{Zn}

nhưng ở dạng bột mịn được cho vào

100.

mL dung dịch

\text{HCl}

0.10\ M

ở cùng nhiệt độ. Cho

M_{\text{Zn}} = 65.38\ \text{g mol}^{-1}

aThí nghiệm nào có tốc độ tạo khí ban đầu lớn hơn? Giải thích ở cấp độ hạt.
bTính thể tích khí $\text{H}_2$ thu được cuối cùng ở mỗi thí nghiệm (ở $25\ ^\circ\text{C}$ , $1.00$ atm) và cho biết hai thí nghiệm có cho cùng thể tích hay không.
cNêu một thay đổi khác làm tăng tốc độ phản ứng ở thí nghiệm 1 và giải thích.

1Bước 1: Với câu (a), phải nhớ rằng đây là phản ứng dị thể: kẽm rắn chỉ tiếp xúc được với ion

\text{H}^+

ở lớp nguyên tử ngoài cùng của nó. Khi nghiền cùng khối lượng kẽm thành bột, diện tích bề mặt (surface area) tiếp xúc tăng lên rất nhiều lần, nên số va chạm giữa

\text{H}^+

và nguyên tử

\text{Zn}

trong mỗi giây cũng tăng theo. Do đó thí nghiệm 2 có tốc độ tạo khí ban đầu lớn hơn hẳn, thể hiện ở đồ thị thể tích

\text{H}_2

theo thời gian dốc hơn ở đoạn đầu.

2Bước 2: Sang câu (b), trước hết phải xác định chất phản ứng giới hạn (limiting reactant). Số mol axit là

n_{\text{HCl}} = (0.100\ \text{L})(0.10\ M) = 1.0\times10^{-2}\ \text{mol}

, còn số mol kẽm là

n_{\text{Zn}} = 5.0/65.38 = 7.6\times10^{-2}\ \text{mol}

. Theo tỉ lệ

1:2

, muốn dùng hết

7.6\times10^{-2}

mol

\text{Zn}

thì cần

0.15

mol

\text{HCl}

, nhiều gấp bội lượng có sẵn, nên

\text{HCl}

là chất giới hạn còn

\text{Zn}

dư.

3Bước 3: Từ đó suy ra lượng khí:

n_{\text{H}_2} = \tfrac{1}{2}\,n_{\text{HCl}} = \tfrac{1}{2}(1.0\times10^{-2}) = 5.0\times10^{-3}\ \text{mol}.

Áp dụng

PV = nRT

với

T = 298

K và

P = 1.00

atm:

V = \frac{nRT}{P} = \frac{(5.0\times10^{-3})(0.0821)(298)}{1.00} = 0.122\ \text{L} = 1.2\times10^{2}\ \text{mL}.

Vì hai thí nghiệm dùng cùng lượng axit và cùng lượng kẽm dư, cả hai đều cho khoảng

122

mL khí.

4Bước 4: Đây chính là chỗ dễ nhầm nhất: chia nhỏ kim loại làm phản ứng chạy nhanh hơn nhưng không tạo ra thêm sản phẩm. Tốc độ quyết định đường đi dốc hay thoải, còn chất giới hạn quyết định điểm dừng cuối cùng của đường đó. Vì vậy đường cong của thí nghiệm 2 lên nhanh hơn nhưng cả hai đường đều bằng phẳng ở cùng một mức

122

mL.

5Bước 5: Với câu (c), có thể tăng nhiệt độ hoặc tăng nồng độ axit. Nếu nâng nhiệt độ từ

25\ ^\circ\text{C}

lên

45\ ^\circ\text{C}

, phân bố động năng của các hạt dịch sang phải nên tỉ lệ va chạm có năng lượng vượt qua năng lượng hoạt hóa (activation energy) tăng mạnh, đồng thời tần số va chạm cũng tăng; tốc độ vì thế tăng. Nếu thay bằng

100.

\text{HCl}

0.20\ M

thì mật độ ion

\text{H}^+

quanh bề mặt kim loại lớn hơn, số va chạm hiệu quả mỗi giây nhiều hơn, nhưng lưu ý cách này còn làm tăng gấp đôi lượng

\text{H}_2

cuối cùng lên khoảng

245

mL.

Thí nghiệm 2 phản ứng nhanh hơn vì bột kẽm có diện tích bề mặt lớn hơn nhiều so với mẩu kẽm nguyên khối, làm tăng tần số va chạm giữa $\text{H}^+$ và bề mặt kim loại. Tuy nhiên $\text{HCl}$ là chất giới hạn ở cả hai thí nghiệm, nên cả hai đều chỉ thu được $5.0\times10^{-3}$ mol $\text{H}_2$ , tức khoảng $1.2\times10^{2}$ mL ở $25\ ^\circ\text{C}$ và $1.00$ atm. Nâng nhiệt độ là cách làm tăng tốc độ mà không làm thay đổi lượng khí thu được cuối cùng.

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