Ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hóa học trong sản xuất hóa học

Để so sánh được mức độ xảy ra nhanh hay chậm của các phản ứng hóa học thì ta dùng đại lượng tốc độ phản ứng hóa học. Vậy tốc độ phản ứng hóa học là gì? Lý thuyết về tốc độ phản ứng và một số bài tập điển hình? Thí nghiệm về tốc độ phản ứng hóa học?… Nội dung bài viết dưới đây của DINHNGHIA.VN sẽ giúp bạn có được những kiến thức hữu ích về chủ đề tốc độ phản ứng trong hóa học, cùng tìm hiểu nhé!.

Khái niệm tốc độ phản ứng là gì?

• Tốc độ phản ứng được định nghĩa là đại lượng đặc trưng cho độ biến thiên nồng độ của một trong các chất phản ứng, hoặc sản phẩm ứng trong một đơn vị thời gian.
• Theo quy ước:

Nồng độ được tính bằng mol/l
Thời gian được tính bằng giây (s), phút (ph), giờ (h)…

Tốc độ trung bình của phản ứng

Xét phản ứng: 𝐴→𝐵

Ở thời điểm 𝑡1: 𝐶𝐴 là 𝐶1 mol/l

Ở thời điểm 𝑡2: 𝐶𝐴 là 𝐶2 mol/l (𝐶1>𝐶2)

Công thức tính tốc độ trung bình của phản ứng

• Tốc độ của phản ứng tính theo A trong khoảng thời gian 𝑡1→𝑡2:

𝑣¯=𝐶1−𝐶2𝑡2−𝑡1=𝐶2–𝐶1𝑡2−𝑡1=−Δ𝐶Δ𝑡

• Tốc độ của phản ứng tính theo sản phẩm B:

Ở thời điểm 𝑡1: 𝐶𝐵 là 𝐶1 mol/l

Ở thời điểm 𝑡2: 𝐶𝐵 là 𝐶2 mol/l (𝐶1>𝐶2)

𝑣¯=𝐶1−𝐶2𝑡2−𝑡1=Δ𝐶Δ𝑡

Do đó, công thức tổng quát tính tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 𝑡1 đến 𝑡2 là:

𝑣¯=±Δ𝐶Δ𝑡

Trong đó:

𝑣¯ là tốc độ trung bình của phản ứng trong khoảng thời gian từ 𝑡1 đến 𝑡2.

+Δ𝐶 là biến thiên nồng độ chất sản phẩm.

−Δ𝐶 là biến thiên nồng độ chất tham gia phản ứng (chất tạo thành).

Biểu thức tốc độ của phản ứng trên: 𝑉=𝑘[𝐴]

Trong đó: k là hằng số tốc độ phản ứng

Những yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

Ảnh hưởng của nồng độ

Khi nồng độ chất phản ứng tăng thì tốc độ của phản ứng tăng.

Ảnh hưởng của nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng tăng.
Khi nhiệt độ phản ứng tăng dẫn đến hai hệ quả sau:

Tốc độ chuyển động của các phân tử tăng, dẫn đến tần số va chạm giữa các chất phản ứng tăng.
Tần số va chạm có hiệu quả giữa các chất phản ứng tăng nhanh. Đây là yếu tố chính làm cho tốc độ phản ứng tăng nhanh khi tăng nhiệt độ.

Ảnh hưởng của áp suất

• Đối với phản ứng có chất khi tham gia thì khi áp suất tăng (nồng độ chất khí tăng), tốc độ phản ứng sẽ tăng.
• Khi tăng áp suất, khoảng cách giữa các phân tử càng nhỏ, nên sự va chạm càng dễ có hiệu quả hơn, do đó phản ứng xảy ra nhanh hơn.

Ảnh hưởng của diện tích bề mặt

Đối với phản ứng có chất rắn tham gia, khi diện tích bề mặt tăng thì tốc độ phản ứng sẽ tăng.

Ảnh hưởng của chất xúc tác

• Chất xúc tác được biết đến là chất có tác dụng làm biến đổi mãnh liệt tốc độ của phản ứng nhưng không bị tiêu hao trong phản ứng.
• Những chất xúc tác làm xúc tiến cho quá trình xảy ra nhanh hơn là chất xúc tác dương. Trong kĩ thuật hiện đại thì xúc tác dương được sử dụng một cách rộng rãi.

Ví dụ: trong quá trình tổng hợp 𝑁𝐻3, sản xuất 𝐻2𝑆𝑂4,𝐻𝑁𝑂3, cao su nhân tạo, chất dẻo,…

• Những chất xúc tác làm cho quá trình xảy ra chậm được gọi là chất xúc tác âm.

Ví dụ: Quá trình oxi hóa 𝑁𝑎2𝑆𝑂3 trong dung dịch thành 𝑁𝑎2𝑆𝑂4 xảy ra chậm khi cho thêm glycerol.

Kiến thức về cân bằng hóa học

Phản ứng thuận nghịch

Phản ứng thuận nghịch là phản ứng xảy ra đồng thời theo hai chiều ngược nhau trong cùng điều kiện như nhau.

Ví dụ:

𝐻2+𝐼2⇌2𝐻𝐼

Định nghĩa cân bằng hóa học

Cân bằng hóa học được định nghĩa là trạng thái của phản ứng thuận nghịch mà tại đó thì vận tốc của phản ứng thuận bằng vận tốc phản ứng nghịch.

Lưu ý: Cân bằng hóa học chính là cân bằng động vì khi đó phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra, tuy nhiên với vận tốc như nhau nên nồng độ các chất trong hệ không còn thay đổi.

Nguyên lí chuyển dịch cân bằng

• Khi nồng độ một chất nào đó (trừ chất rắn) trong cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều phản ứng làm giảm nồng độ chất đó và ngược lại.
• Khi tăng áp suất chung của hệ cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều phản ứng có số mol ít hơn và ngược lại.
• Khi phản ứng ở trạng thái cân bằng, nếu số mol khí ở hai vế của phương trình bằng nhau thì khi tăng áp suất cân bằng sẽ không chuyển dịch.
• Khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều phản ứng thi nhiệt và ngược lại.

Lưu ý: Chất xúc tác không làm dịch chuyển cân bằng, chỉ làm phản ứng nhanh đạt đến trạng thái cân bằng.

Một số công thức về tốc độ phản ứng

Biểu thức vận tốc phản ứng

• Vận tốc phản ứng sẽ tỉ lệ thuận với tích nồng độ của các chất tham gia phản ứng, với số mũ là hệ số hợp thức của các chất tương ứng trong phương trình phản ứng hóa học.
  Xét phản ứng: 𝑚𝐴+𝑛𝐵→𝑝𝐶+𝑞𝐷

Biểu thức vận tốc:

𝑣=𝑘[𝐴]𝑚[𝐵]𝑛

Trong đó:

• k: hằng số tỉ lệ (hằng số vận tốc).
• [A], [B]: nồng độ mol của chất A và B.

Hằng số cân bằng trong phản ứng

Xét phản ứng thuận nghịch: 𝑚𝐴+𝑛𝐵⇌𝑝𝐶+𝑞𝐷

Vận tốc phản ứng thuận: 𝑣𝑡=𝑘𝑡[𝐶]𝑚[𝐷]𝑛

Vận tốc phản ứng nghịch: 𝑣𝑛=𝑘𝑛[𝐶]𝑝[𝐷]𝑞

Bài tập về tốc độ phản ứng hóa học

Bài 1: Tốc độ của phản ứng tăng bao nhiêu lần nếu tăng nhiệt độ từ 200 độ C đến 240 độ C, biết rằng khi tăng 10 độ C thì tốc độ phản ứng tăng 2 lần.

Cách giải:

Gọi 𝑉200 là tốc độ phản ứng ở 200 độ C

Ta có:

𝑉210=2𝑉200

𝑉220=2𝑉210=4𝑉200

𝑉230=2𝑉220=8𝑉200

𝑉240=2𝑉230=16𝑉200

Vậy tốc độ phản ứng tăng lên 16 lần

Bài 2: Cho phản ứng: 𝐴+2𝐵→𝐶

Nồng độ ban đầu các chất: [A] = 0,3M; [B] = 0,5M. Hằng số tốc độ k = 0,4

1. Tính tốc độ phản ứng lúc ban đầu.
2. Tính tốc độ phản ứng tại thời điểm t khi nồng độ A giảm 0,1 mol/l.

Cách giải:

1. Tốc độ ban đầu:
𝑉𝑏𝑑=𝑘.[𝐴].[𝐵]2=0,4.[0,3].[0,5]2=0,3𝑚𝑜𝑙/𝑙𝑠

2. Tốc độ tại thời điểm t

Khi nồng độ A giảm 0,1 mol/lít thì B giảm 0,2 mol/l theo phản ứng tỉ lệ 1 : 2

Nồng độ tại thời điểm t:

[𝐴′]=0,3–0,1=0,2(𝑚𝑜𝑙/𝑙)

[𝐵′]=0,5−0,2=0,3(𝑚𝑜𝑙/𝑙)

𝑉=𝑘.[𝐴′].[𝐵′]2=0,4.[0,2].[0,3]2=0,0072𝑚𝑜𝑙/𝑙𝑠

DINHNGHIA.VN đã cùng bạn tìm hiểu chi tiết về chủ đề tốc độ phản ứng hóa học cùng một số nội dung liên quan. Mong rằng kiến thức trong bài viết trên sẽ giúp ích cho bạn trong quá trình nghiên cứu và học tập về chuyên đề tốc độ phản ứng hóa học. Chúc bạn luôn học tập tốt!.