Chương 7

TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC

 

 

 

Bài 36:

TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HOÁ HỌC

 

I- KHÁI NIỆM VỀ TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HOÁ HỌC

1. Thí nghiệm

            Chuẩn bị ba dung dịch : BaCl₂, Na₂S₂O₃ ⁽¹⁾ và H₂SO₄ có cùng nồng độ 0,1M để thực hiện hai phản ứng sau:

         a) Đổ 25 ml dung dịch H₂SO₄ vào cốc đựng 25 ml dung dịch BaCl₂ ta thấy xuất hiện ngay kết tủa trắng của BaSO₄.

b) Đổ 25 ml dung dịch H₂SO₄ vào cốc đựng 25 ml dung dịch Na₂SO₃ một lát sau mới thấy màu trắng đục của S xuất hiện.

2. Nhận xét

            Từ hai thí nghiệm trên ta thấy rằng, phản ứng (1) xảy ra nhanh hơn phản ứng (2). Nói chung các phản ứng hoá học khác nhau xảy ra nhanh, chậm rất khác nhau. Để đánh giá mức độ xảy ra nhanh, chậm của các phản ứng hoá học, người ta đưa ra khái niệm tốc độ phản ứng hoá học, gọi tắt là tốc độ phản ứng.

            Tốc độ phản ứng là độ biến thiên nồng độ của một trong các chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian⁽²⁾. Thí dụ:

                        Br₂ + HCOOH --> 2HBr + CO₂

            Lúc đầu nồng độ Br₂ là 0,0120 mol/l, sau 50 giây nồng độ là 0,0101 mol/l.

            Tốc độ trung bình của phản ứng trong khoảng thời gian 50 giây tính theo Br₂ là:

II. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

1. Ảnh hưởng của nồng độ

            Thí nghiệm. Thực hiện phản ứng (2) bằng cách chuẩn bị hai cốc dựng dung dịch Na₂S₂O₃ với các nồng độ khác nhau, sau đó đổ đồng thời vào mỗi cốc 25ml dung dịch H₂SO₄ 0,1 M như hình 7.1. Dùng đũa thuỷ tinh khuấy nhẹ dung dịch trong cả hai cốc. So sánh thời gian xuất hiện màu trắng đục⁽³⁾ của lưu huỳnh trong hai cốc, ta thấy lưu huỳnh xuất hiện trong cốc (a) sớm hơn, nghĩa là tốc độ phản ứng trong cốc (a) lớn hơn.

Hình 7.1. Thí nghiệm ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng

            Vậy, khi tăng nồng độ chất phản ứng, tốc độ phản ứng tăng

2. Ảnh hưởng của áp suất

            Áp suất ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng có chất khí. Khi áp suất tăng nồng độ chất khí tăng theo nên tốc độ phản ứng tăng.

            Thí dụ, xét phản ứng sau thực hiện trong bình kín ở nhiệt độ xác định:

                        2HI (k) --> H₂ (k) + I₂ (k)

            Tốc độ phản ứng khi áp suất của HI là 2 atm gấp 4 lần tốc độ phản ứng khi áp suất của HI là 1 atm.

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ

            Thí nghiệm : Thực hiện phản ứng (2) ở hai nhiệt độ khác nhau (hình 7.2).

Hình 7.2.  Thí nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng

            Để thực hiện phản ứng trong cốc (b) cần đun nóng trước hai dung dịch Na₂S₂O₃ và H₂SO₄. Sau đó đổ đồng thời vào mỗi cốc 25 ml dung dịch H₂SO₄ 0,1M khuấy nhẹ. So sánh thời gian xuất hiện màu trắng đục của lưu huỳnh trong hai cốc, ta thấy lưu huỳnh xuất hiện trong cốc (b) sớm hơn.

            Vậy, khi tăng nhiệt độ, tốc độ phản ứng tăng.

4. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt

            Thí nghiệm. Dùng hai mẫu đá vôi (CaCO₃) có khối lượng bằng nhau, trong đó một mẫu có kích thước hạt nhỏ hơn. Cho hai mẫu đá đó cùng tác dụng với hai thể tích bằng nhau của dung dịch HCl (dư) cùng nồng độ (hình 7.3). Phản ứng xảy ra như sau:

 

                       

Hình 7.3. Thí nghiệm ảnh hưởng của diện tích bề mặt chất rắn

đến tốc độ phản ứng

            Ta thấy thời gian để CaCO₃ phản ứng hết trong cốc (b) ít hơn trong cốc (a) vì chất rắn với kích thước nhỏ (đá vôi dạng hạt nhỏ) có tổng diện tích bề mặt tiếp xúc với chất phản ứng (HCl) lớn hơn so với chất rắn có kích thước hạt lớn hơn (đá vôi dạng khối) cùng khối lượng, nên có tốc độ phản ứng lớn hơn. Vậy, khi tăng diện tích bề mặt phản ứng, tốc độ phản ứng tăng.

5. Ảnh hưởng của chất xúc tác

            Chất xúc tác là chất làm tăng tốc độ phản ứng⁽⁴⁾, nhưng còn lại sau khi phản ứng kết thúc. 

Thí dụ, H₂O₂ phân huỷ chậm trong dung dịch ở nhiệt độ thường theo phản ứng sau:

                                    2H₂O₂ --> 2H₂O + O₂

            Nếu cho vào dung dịch này một ít bột MnO₂, bọt oxi sẽ thoát ra rất mạnh khi phản ứng kết thúc, MnO₂ vẫn còn nguyên vẹn. Vậy, MnO₂ là chất xúc tác cho phản ứng phân huỷ H₂O₂.

            Ngoài các yếu tố trên, môi trường xảy ra phản ứng, tốc độ khuấy trộn, tác dụng của các tia bức xạ v.v... cũng ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng.

III - Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

            Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng được vận dụng nhiều trong đời sống và sản xuất. Thí dụ, nhiệt độ của ngọn lửa axêtilen cháy trong ôxi cao hơn so với cháy trong không khí, nên tạo nhiệt độ càng cao hơn.Nấu thực phẩm nồi áp suất chóng chín hơn so với khi nấu chúng ở  áp suất thường.Các chất đốt rắn như than, củi có kích thước nhỏ hơn sẽ cháy nhanh hơn. Để tăng  tốc độ tổng hợp NH₃  từ N₂  và H₂ , người ta phải dùng chất xúc tác, tăng nhiệt độ và thực hiện ở áp suất cao.

Tư liệu

CHẤT XÚC TÁC MEN (ENZIM)

Các quá trình hoá học trong cơ thể sống xảy ra với tốc độ nhanh chóng và nhịp nhàng là có men. Men là chất xúc tác sinh học. Men không những làm tăng tốc độ phản ứng hoá học từ 10⁶ đến 10¹² lần, mà còn có tính đặc thù rất cao: hoạt tính xúc tác của men được thể hiện ngay ở điều kiện áp suất và nhiệt độ bình thường của cơ thể, một chất men chỉ làm xúc tác cho một số chất phản ứng xác định, trong khi đó những chất còn lại có mặt trong hệ thống bị ảnh hưởng. Trong cơ thể người có tới gần 30000 chất men khác nhau. Chúng xúc tác cho hầu hết các phản ứng hoá học xảy ra trong cơ thể. Chẳng hạn, men trong nước bọt là amilaza xúc tác cho sự chuyển hoá tinh bột thành đường; men trong dạ dày là pepxin xúc tác cho sự phân giải các protein.

Men có thể tồn tại được ở ngoài cơ thể sống và vẫn bảo toàn được khả năng xúc tác. Ngày nay, người ta đã tổng hợp được và tách được từ tế bào sống rất nhiều men khác nhau để dùng trong nhiều lĩnh vực như trong y học, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp dược phẩm... Một số thí dụ: Trong công nghiệp thực phẩm, men được dùng trong sản xuất rượu, bia, bánh mì, kẹo bánh, chế biến thịt, cá, sữa...; Trong y học và công nghiệp dược phẩm, men được dùng trong sản xuất các vitamin, chất kháng sinh, để chữa các bệnh men bẩm sinh.v.v....

Bài 37:

BÀI THỰC HÀNH SỐ 6

TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HOÁ HỌC

 

I- NỘI DUNG THÍ NGHIỆM VÀ CÁCH TIẾN HÀNH

1. Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng

            Chuẩn bị hai ống nghiệm như sau:

·        ống thứ nhất chứa 3 ml dung dịch HCl nồng độ khoảng 18%.

·        ống thứ hai chứa 3ml dung dịch HCl nồng độ khoảng 6%.

Cho đồng thời vào mỗi ống một hạt kẽm có kích thước giống nhau.

            Quan sát hiện tượng xảy ra trong hai ống nghiệm và rút ra kết luận. Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra.

2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng

            Chuẩn bị hai ống nghiệm, mỗi ống đựng 3 ml dung dịch H₂SO₄ nồng độ khoảng 15%. Đun dung dịch trong một ống đến gần sôi. Cho đồng thời vào mỗi ống một hạt Zn có kích thước giống nhau. Quan sát hiện tượng xảy ra trong hai ống nghiệm và rút ra kết luận. Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra.

3. Ảnh hưởng của diện tích bề mặt chất rắn đến tốc độ phản ứng

            Chuẩn bị hai ống nghiệm, mỗi ống đựng 3 ml dung dịch H₂SO₄ nồng độ khoảng 15%, sau đó chuẩn bị hai mẫu Zn có khối lượng bằng nhau. Một mẫu có kích thước hạt nhỏ hơn mẫu còn lại. Cho đồng thời hai mẫu kẽm đó vào hai ống nghiệm đựng H₂SO₄ ở trên. Quan sát hiện tượng xảy ra trong hai ống nghiệm và rút ra kết luận. Viết phương trình hoá học của phản ứng xảy ra.

II. VIẾT TƯỜNG TRÌNH

Bài 38:

CÂN BẰNG HOÁ HỌC

 

I - PHẢN ỨNG MỘT CHIỀU, PHẢN ỨNG THUẬN NGHỊCH VÀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC

1. Phản ứng một chiều

            Xét phản ứng sau:

                                    2KClO₃  2KCl + 3O₂

            Khi đun nóng các tinh thể KClO₃ có mặt chất xúc tác MnO₂ , KClO₃ phân huỷ thành KCl và O₂. Cũng trong điều kiện đó, KCl và O₂ không phản ứng được với nhau tạo lại KClO₃, nghĩa là phản ứng chỉ xảy ra theo một chiều từ trái sang phải. Phản ứng như thế gọi là phản ứng một chiều.

            Trong phương trình hoá học của phản ứng một chiều, người ta dùng một mũi tên chỉ chiều phản ứng.

2. Phản ứng thuận nghịch

            Xét phản ứng sau:

                                                          

           Ở điều kiện thường, Cl₂ phản ứng H₂O tạo thành HCl và HClO, đồng thời HCl va HClO sinh ra cũng tác dụng được với nhau tạo lại Cl₂ và H₂O, nghĩa là trong cùng điều kiện, phản ứng xảy ra theo hai chiều trái ngược nhau. Phản ứng như thế được gọi là phản ứng thuận nghịch.

            Trong chương trình hoá học của phản ứng thuận nghịch, người ta dùng hai mũi tên ngược chiều nhau thay cho một mũi tên đối với phản ứng một chiều.

3. Cân bằng hoá học

            Xét phản ứng thuận nghịch sau:

         Cho H₂ và I₂ vào trong một bình kín ở nhiệt độ cao và không đổi. Lúc đầu tốc độ phản ứng thuận(v_t) lớn vì nồng độ H₂ và I₂ lớn, trong khi đó tốc độ phản ứng nghịch (v_n) bằng không, vì nồng độ HI bằng không. Trong quá trình diễn ra phản ứng nồng độ H₂ và I₂ giảm dần nên v_t giảm dần, còn v_n tăng dần vì nồng độ HI tăng dần. Đến một lúc nào đó v_t trở nên bằng v_n, khi đó nồng độ các chất trong phản ứng thuận nghịch trên đây được giữ nguyên, nếu nhiệt độ không biến đổi. Trạng thái này của phản ứng thuận nghịch được gọi là cân bằng hoá học (Hình 7.4).

Ở trạng thái cân bằng, không phải là phản ứng dừng lại, mà phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra, nhưng với tốc độ bằng nhau (v_t = v_n). Điều này có nghĩa là trong một đơn vị thời gian, nồng độ các chất phản ứng giảm bao nhiêu theo phản ứng thuận lại được tạo ra bấy nhiêu theo phản ứng nghịch. Do đó, cân bằng hoá học là cân bằng động.

            Vậy, cân bằng hoá học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch.

            Đặc điểm của phản ứng thuận nghịch là các chất phản ứng không chuyển hoá hoàn toàn thành các sản phẩm, nên trong hệ cân bằng luôn luôn có mặt các chất phản ứng và các sản phẩm.

            Thí dụ, cho 0,500 mol/l⁽⁵⁾ I₂ vào trong một bình kín ở nhiệt độ 430⁰C. Nếu phản ứng là một chiều thì H₂ và I₂ sẽ phản ứng hết tạo thành 1,000 mol/l HI. Nhưng đây là phản ứng thuận nghịch, nên chỉ thu được 0,786 mol/l HI và còn lại 0,107 mol/l H₂, 0,107 mol/l I₂.

II- SỰ CHUYỂN DỊCH CÂN BẰNG HOÁ HỌC

1. Thí nghiệm

            Lắp một dụng cụ gồm hai ống nghiệm có nhánh (a) và (b), được nối với nhau bằng một ống nhựa mềm, có khoá K mở (hình 7.5).

            Nạp đầy khí NO₂ vào cả hai ống (a) và (b) ở nhiệt độ thường. Nút kín cả hai ống, trong đó có cân bằng sau:

2NO₂ (k)      ↔   N₂O₄ (k)

(Màu nâu đỏ)      (không màu)

Màu của hỗn hợp khí trong cân bằng ở cả hai ống (a) và (b) là như nhau.

            Đóng khoá K lại để ngăn không cho khí ở hai ống khuyếch tán vào nhau. Ngâm ống (a) vào nước đá. Một lát sau lấy ra, so sánh màu ở ống (a) với ống (b), ta thấy màu ở ống (a) nhạt hơn. Vậy, khi ta làm lạnh ống (a), các phân tử NO₂ trong ống đó đã phản ứng thêm để tạo ra N₂O₄, làm nồng độ NO₂ giảm bớt và nồng độ N₂O₄ tăng thêm. Hiện tượng đó được gọi là sự chuyển dịch cân bằng hoá học.

2. Định nghĩa

            Sự chuyển dịch cân bằng hoá học là sự di chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác do tác động của các yếu tố từ bên ngoài lên cân bằng.

            Những yếu tố làm chuyển dịch cân bằng là nồng độ, áp suất và nhiệt độ. Chúng được gọi là các yếu tố ảnh hưởng đến cân bằng hoá học.

III - CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CÂN BẰNG HOÁ HỌC

1. Ảnh hưởng của nồng độ

            Xét hệ cân bằng sau trong một bình kín ở nhiệt độ cao và không đổi:

            Khi hệ phản ứng đang ở trạng thái cân băng, nghĩa là v_t = v_n, nồng độ các chất trong phản ứng không biến đổi nữa.

           Nếu ta cho thêm vào hệ một lượng khí CO₂, nồng độ CO₂ trong hệ sẽ tăng lên làm cho ngay lúc đó v_t trở lên lớn hơn v_n, CO₂ sẽ phản ứng thêm với C tạo ra CO₂ cho đến khi v_t lại bằng v_n, lúc đó cân bằng mới được thiết lập, ở trạng thái cân bằng mới, nồng độ các chất sẽ khác với ở trạng thái cân bằng cũ.

            Vậy, khi thêm CO₂ vào hệ cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều từ trái sang phải (theo chiều thuận), chiều là giảm nồng độ CO₂ thêm vào.

            Quá trình chuyển dịch cân bằng xảy ra tương tự khi ta lấy bớt khí CO ra khỏi cân bằng, vì khi đó v_n < v_t.

            Ngược lại, nếu ta cho thêm khí CO vào hoặc lấy bớt khí CO₂ ra khỏi hệ cân bằng thì lúc đó v_t < v_n, cân bằng sẽ chuyển dịch từ phải trang trái (theo chiều nghịch) nghĩa là theo chiều làm giảm nồng độ CO hoặc chiều tăng nồng độ CO₂.

            Từ sự khảo sát ở trên ta thấy rằng, khi tăng hoặc giảm nồng độ một chất trong cân bằng thì cân bằng bao gờ cũng chuyển dịch theo chiều tăng giảm tác dụng của việc tăng hoặc giảm nồng độ của chất đó.

            Lưu ý rằng, nếu trong hệ cân bằng có chất rắn (ở dạng nguyên chất), thì việc thêm hoặc bớt lượng chất rắn không ảnh hưởng đến cân bằng, nghĩa là cân bằng không chuyển dịch. Thí dụ, nếu cho thêm hoặc lấy bớt lượng C trong hệ cân bằng (1) thì cân bằng không bị ảnh hưởng.

2. Ảnh hưởng của áp suất

            Xét hệ cân bằng (2) trong xi lanh kín có pít tông (hình 7.6) ở nhiệt độ thường và không đổi:

Hình 7.6. Thí nghiệm chứng minh ảnh hưởng của áp suất đến cân bằng

            Thí nghiệm chứng tỏ rằng, khi hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta tăng áp suất chung của hệ lên, bằng cách đẩy pit tông vào để cho thể tích chung của  hệ giảm xuống, thì số mol khí NO₂ sẽ giảm bớt, đồng thời số mol khí N₂O₄ sẽ tăng thêm nghĩa là cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch.

            Nhận xét: Nhìn vào phản ứng (2) ta thấy cứ 2 mol khí NO₂ phản ứng tạo ra một mol khí N₂O₄, nghĩa là phản ứng nghịch làm giảm số mol khí trong hệ, do đó làm giảm áp suất chung của hệ.

            Như vậy, khi tăng áp suất chung của hệ cân bằng trên, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, chiều làm giảm áp suất chung của hệ, nghĩa là chuyển dịch về phía làm giảm tác dụng của việc tăng áp suất chúng.

            Bây giờ nếu ta làm giảm áp suất chung của hệ cân bằng trên bằng cách kéo pit tông ra để cho thể tích chung của hệ tăng lên, thì số mol khí NO₂ sẽ tăng thêm, đồng thời số mol khí N₂O₄ sẽ giảm bớt. Vậy, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, chiều làm tăng số mol khí trong hệ, nghĩa là chuyển dịch về phía làm giảm tác dụng của việc giảm áp suất chung.

            Vậy, khi tăng hoặc giảm áp suất chung của hệ cân bằng, thì cân bằng bao giờ cũng chuyển dịch theo chiều làm giảm tác dụng của việc tăng hoặc giảm áp suất đó.

            Từ các thí nghiệm trên, ta suy ra: nếu phản ứng có số mol khí ở hai vế của phương trình hoá học bằng nhau hoặc phản ứng không có chất khí, thì áp suất không ảnh hưởng đến cân bằng. Thí dụ, áp suất không ảnh hưởng đến các cân bằng sau:

H₂(k) + I₂ (k)  2HI(k)

Fe₂O₃ (r) +  3CO (k)  2Fe (r) + 3CO₂ (k)

3. Ảnh hưởng của nhiệt độ

            Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hoá học cần biết khái niệm phản ứng toả nhiệt và phản ứng thu nhiệt.

            Các phản ứng hoá học thường kèm theo sự giải phóng hoặc hấp thụ năng lượng dưới dạng nhiệt. Thí dụ, khi cho vôi sống (caO) tác dụng với nước, ta thấy hỗn hợp tạo thành sôi lên. Phản ứng như thế là phản ứng toả nhiệt. Ngược lại, khi nung đá vôi (CaCO₃) để sản xuất vôi sống, ta phải liên tục cung cấp nhiệt cho phản ứng. Đó là phản ứng thu nhiệt.

            Để chỉ lượng nhiệt kèm theo mỗi phản ứng hoá học, người ta dùng đại lượng nhiệt phản ứng, ký hiệu là DH. Phản ứng toả nhiệt thì các chất phản ứng mất bớt năng lượng nên giá trị DH có dấu âm (DH < 0). Ngược lại, phản ứng thu nhiệt, các chất phản ứng phải lấy thêm năng lượng để tạo ra các sản phẩm, nên giá trị DH có dấu dương (DH > 0). Thí dụ:

                        CaO + H₂O ® Ca(OH)₂                                 DH = -65 kJ

                        CaCO₃  CaO + CO₂                 DH = + 178 kJ

            Để nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến cân bằng hoá học ta xét lại cân bằng (2) trong bình kín:

               Phản ứng thuận thu nhiệt (DH = 58 kJ >0). Phản ứng nghịch thoả nhiệt (DH = -58 kJ < 0).

            Khi hỗn hợp khí trên đang ở trạng thái cân bằng, nếu đun nóng hỗn hợp khí bằng cách ngâm bình đựng hỗn hợp vào nước sôi, màu nâu đỏ của hỗn hợp khí đậm lên nghĩa là cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận, chiều của phản ứng thu nhiệt.

            Nếu làm lạnh bằng cách ngâm bình đựng hỗn hợp khí vào nước đá, màu của hỗn hợp khí nhạt đi, nghĩa là cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch, chiều của phản ứng toả nhiệt⁽⁶⁾ .

            Như vậy, khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt nghĩa là chiều làm giảm tác dụng của việc tăng nhiệt độ và khi giảm nhiệt độ cân bằng chuyển dịch theo chiều phản ứng toả nhiệt, chiều làm giảm tác dụng của việc giảm nhiệt độ.

Kết luận

            Ba yếu tố nồng độ, áp suất và nhiệt độ ảnh hưởng đến cân bằng hoá học đã được Lơ Sa-tơ-li-e (H.L.Le Chatelier, 1860 - 1936, nhà hoá học Pháp) tổng kết tành nguyên lý được gọi là nguyên lý chuyển dịch cân bằng Lơ Sa-tơ-li-e như sau:

            Một phản ứng thuận nghịch đang ở trạng thái cân bằng khi chịu một tác động từ bên ngoài như biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều làm giảm tác động bên ngoài đó.

4. Vai trò của chất xúc tác

            Chất xúc tác là tăng tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch với số lần bằng nhau, nên chất xúc tác không ảnh hưởng đến cân bằng hoá học.

            Khi phản ứng thuận nghịch chưa ở trạng thái cân bằng thì chất xúc tác có tác dụng làm cho cân bằng được thiết lập nhanh chóng hơn.

IV- Ý NGHĨA CỦA TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG, VÀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC TRONG SẢN XUẤT HOÁ HỌC

            Để thấy ý nghĩa của tốc độ phản ứng và cân bằng hoá học trong sản xuất hoá học, chúng ta lấy một số thí dụ sau đây:

            Thí dụ 1: Trong quá trình sản xuất axit sunfuric phải thực hiện phản ứng sau

                2SO₂ (k) + O₂ (k)                    2SO₃(k) (DH < 0)

            Trong phản ứng này người ta dùng oxi không khí.

            Ở nhiệt độ thường, phản ứng xảy ra rất chậm. Để tăng tốc độ phản ứng phải dùng chất xúc tác và thực hiện phản ứng ở nhiệt độ khá cao. Nhưng đây là phản ứng toả nhiệt, nên khi tăng nhiệt độ, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm hiệu suất của phản ứng. Để hạn chế tác dụng này, người ta đã dùng một lượng dư không khí, nghĩa là tăng nồng độ ôxi, làm cho cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận.

            Thí dụ 2: Trong công nghiệp, amoniac được tổng hợp theo phản ứng sau:

                                    N₂ (k) + 3H₂                NH₃ (DH < 0)         

            Đặc điểm của phản ứng này là tốc độ rất chậm ở nhiệt độ thường, toả nhiệt và số mol khí của sản phẩm ít hơn so với số mol khí của các chất phản ứng. Do đó, người ta phải thực hiện phản ứng này ở nhiệt độ cao, áp suất cao và dùng chất xúc tác. ở áp suất cao, cân bằng chuyển dịch sang phía tạo ra NH₃,nhưng ở nhiệt độ cao, cân bằn chuyển dịch ngược lại, nên chỉ thực hiện được ở nhiệt độ thích hợp.

Tư liệu

MỘT PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT HIĐRO

TRONG CÔNG NGHIỆP

Khoảng 75% hiđro được sản xuất bằng quá trình refominh hơi nước. Trong quá trình này hiđrocacbon (trong khí thiên nhiên) và hơi nước được thực hiện theo hai giai đoạn: Giai đoạn refominh sơ cấp và refominh thứ cấp. Trong giai đoạn sơ cấp, hỗn hợp hơi nước và hiđrocacbon được nén đến áp suất khoảng 30 atm và được đốt nóng trên chất xúc tác niken oxit ở khoảng 800⁰C. Giai đoạn thứ cấp được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn (khoảng 1000⁰C) với sự có mặt của không khí để chuyển hoá hiđrocacbon còn lại ở giai đoạn sơ cấp. Hai phản ứng chính (với chất đại diện là CH₄) như sau:

CH₄ (k) + H₂O (k)  -->CO (k) + 3H₂ (k); (1) DH > 0: giai đoạn sơ cấp

2CH₄ (k) + O₂ (k) --> 2CO (k) + 4H₂ (k); (2) DH > 0: giai đoạn thứ cấp

Khí H₂ tạo ra lẫn CO và hơi nước được dẫn qua xúc tác CuO - ZnO ở khoảng 300⁰C:

CO + H₂O --> CO₂ + H₂

Để tách H₂ khỏi CO₂ người ta dùng dung dịch K₂CO₃ hấp thụ CO₂ ở áp suất cao:

CO₂ + K₂CO₃ + H₂O --> 2KHCO₃

Do cả hai phản ứng (1) và (2) đều thu nhiệt, nên theo nguyên lí Lơ Sa-tơ-li-ê, quá trình tạp ra sản phẩm thuận lợi ở nhiệt độ cao.

Ở áp suất cao không thuận lợi cho quá trình tạo ta H₂ vì cả hai phản ứng đều có số mol khí của sản phẩm lớn hơn số mol khí của các chất phản ứng. Tuy nhiên, trong thực tế các phản ứng trên đều thực hiện ở áp suất cao, vì H₂ tạo ra được sử dụng khép kín để tổng hợp NH₃ (đi từ N₂ và H₂, ở áp suất cao hiệu suất tạo thành NH₃ cao hơn). Nhà máy phân đạm ở Phú Mĩ (Bà Rịa - Vũng Tàu) sản xuất NH₃ (sau đó thành uree) theo quy trình khép kín này.

Bài đọc thêm

HẰNG SỐ CÂN BẰNG

Khi phản ứng thuận nghịch ở trạng thái cân bằng, nồng độ các chất trong phản ứng không biến đổi nữa (nếu điều kiện phản ứng không biến đổi), nên có thể đưa ra một đại lượng đặc trưng cho cân bằng, đó là hằng số cân bằng.

Thí dụ: cho 0,6700 mol/l khí N₂O₄  2NO₂ (k)

Khi phản ứng ở trạng thái cân bằng thu được 0,0547 mol/l khí NO₂ và còn lại 0,6430 mol/l khí N₂O₄, khi đó tỉ số sau là một hằng số:

 

Ở đây: [NO₂] và [N₂O₄] là nồng độ nol của khí NO₂ và N₂O₄ ở trạng thái cân bằng; K_c là hằng số cân bằng (c là chữ viết tắt của từ concentration, nghĩa là nồng độ) của phản ứng. Giá trị K_c của phản ứng xác định chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Thực ra: [NO₂] = và [N₂O₄] = , nghĩa là nồng độ mol của các chất trong biểu thức tính K­_c đã được chia cho nồng độ chuẩn 1,0000 mol/l nên các số 0,0547 và 0,6430 là những hư số, do đó hằng số cân bằng K_c không có đơn vị.

Trường hợp tổng quát:

aA + bB của + dD

A, B, C và D là các chất khí hoặc các chất tan trong dung dịch.

Khi phản ứng thuận nghịch trên ở trạng thái cân bằng, ta có:

Trong đó, K_c là hằng số cân bằng của phản ứng. Đối với phản ứng xác định, K_c chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

[A], [B], [C] và [D] là nồng độ mol của các chất A, B, C và D ở trạng thái cân bằng; a, b, c và d là hệ số tỉ lệ các chất A, B, C và D trong phương trình hoá học của phản ứng.

Nồng độ các sản phẩm (ở vế phải của phương trình hoá học) được đặt ở tử số, còn nồng độ các chất phản ứng (ở vế trái của phương trình hoá học) được đặt ở mẫu số. Nếu trong cân bằng có chất rắn tham gia thì nồng độ chất rắn được coi là hằng số, nên nó không có mặt trong biểu thức hằng số cân bằng. Thí dụ:

C (r) + CO₂ (k) 2CO (k)

K_c =

Hằng số cân bằng có ý nghĩa rất lớn. Nó cho biết lượng các chất phản ứng còn lại và lượng các sản phẩm tạo ra ở trạng thái cân bằng, do đó biết được hiệu suất của phản ứng. Thí dụ:

CaCO₃ (r)  CaO (r) + CO₂ (k)

K_c = [CO₂]

Ở 820⁰C, K_c = 4,28.10^-3, do đó [CO₂] = 4,28.10^-3 mol/l.

Ở 880⁰C, K_c = 1,06.10^-2, nên [CO₂] = 1,06.10^-2 mol/l.

Vậy, ở nhiệt độ cao hơn, khi phản ứng ở trạng thái cân bằng, lượng CO₂ (đồng thời lượng CaO) tạo ra theo phản ứng nhiều hơn; nghĩa là ở nhiệt độ cao hơn, hiệu suất chuyển hoá CaCO₃ thành CaO và Co₂ lớn hơn.

 

 

 

Bài 39:

LUYỆN TẬP TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

VÀ CÂN BẰNG HOÁ HỌC

A - KIẾN THỨC CẦN NẮM VỮNG

1. Tốc độ phản ứng tăng khi

            a) Tăng nồng độ chất phản ứng⁽⁷⁾

            b) Tăng áp suất chất phản ứng (nếu là chất khí)

            c) Tăng nhiệt độ cho phản ứng ⁽⁸⁾

            d) Tăng diện tích bề mặt chất phản ứng.

            e) Có mặt chất xúc tác.

2. Cân bằng hoá học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ phản ứng thuận và tốc độ phản ứng nghịch bằng nhau.

3. Sự chuyển dịch cân bằng là sự di chuyển từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác do tác động của các yếu tố từ bên ngoài lên cân bằng (sự biến đổi nồng độ, áp suất, nhiệt độ) được thể hiện trong nguyên lý Lơ Sa-tơ-li-ê:

            a) Khi tăng 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.

            b) Khi tăng áp suất chung của hệ cân bằng, cân bằng sẽ dịch chuyển theo chiều phản ứng có số mol khí ít hơn và ngược lại.

            c) Khi tăng nhiệt độ, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt và ngược lại.

 

 

 

 

 

---

(1) Natri thiosunfat.

(2) Khi tính tốc độ cần chỉ rõ tốc độ theo chất cụ thể nào trong phản ứng.

(3) Lưu huỳnh tạo thành nhiều sẽ có màu vàng nhạt

(4) Chất làm giảm tốc độ phản ứng được gọi là chất ức chế phản ứng.

(5)  Đối với chất khí, nồng độ mol/l là số mol khí có trong 1 lít khí.

(6) Có thể tiến hành thí nghiệm như hình 7.5

(7),(8) Trừ một số trường hợp ngoại lệ.