Tốc độ phản ứng hóa học | Khái niệm hoá học

1. Khái niệm về tốc độ phản ứng

Các phản ứng hóa học khác nhau xảy ra nhanh, chậm rất  khác nhau. Để đánh giá mức độ xảy ra nhanh, chậm của các phản ứng hóa học, người ta đưa ra khái niệm tốc độ phản ứng hóa học, gọi tắt là tốc độ phản ứng.

Tốc độ của một phản ứng hóa học được xác định bằng độ biến thiên nồng độ của chất trong đơn vị thời gian. 

- Nồng độ của chất thường được tính bằng số mol trong một lít (mol/l).

- Thời gian tính bằng giây, phút hoặc giờ...

Thí dụ,

${\mathrm{Br}}_2 + \mathrm{HCOOH}\to 2\mathrm{HBr} + {\mathrm{CO}}_2$

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

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

$\stackrel{-}{\mathrm{v}} = \frac{0,0120 mol/l - 0,0101 mol/l}{50s}= 3,80.{10}^{-5} mol/(l.s)$

Trên đây ta đã tìm hiểu khái niệm tốc độ phản ứng. Bây giờ ta sẽ tìm hiểu tiếp theo những yếu tố nào sẽ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

Tốc độ của một phản ứng hóa học phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất và nồng độ của chất phản ứng, áp suất (nếu trong phản ứng có chất khí tham gia), nhiệt độ, bản chất của dung môi (nếu phản ứng được thực hiện trong dung dịch) sự có mặt của chất xúc tác...

a. Ảnh hưởng của nồng độ chất phản ứng.

Sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào nồng độ của chất phản ứng thể hiện trong định luật tác dụng khối lượng do Gunbe và Oago phát biểu từ năm 1867 và là định luật cơ bản của động hóa học:

"Tốc độ của phản ứng hóa học ở nhiệt độ không đổi tỉ lệ thuận với tích nồng độ của các chất phản ứng với số mũ là hệ số của chất trong phương trình phản ứng"

Ví dụ, Đối với phản ứng dạng tổng quát:

$$\begin{gathered} \mathrm{aA} + \mathrm{bB} \stackrel{}{\to } \mathrm{cC} + \mathrm{dD} \\ \mathrm{tốc} \mathrm{độ} \mathrm{là}: \mathrm{v}=\mathrm{k}. {\mathrm{C}}_A^{\mathrm{a}}. {\mathrm{C}}_{\mathrm{B}}^{\mathrm{b}} \end{gathered}$$

trong đó, v là tốc độ của phản ứng ở một thời điểm nào đó, 

C_A, C_B là nồng độ của chất A và chất B ở tại thời điểm xác định tốc độ, k là hằng số tỉ lệ và được gọi là hằng số tốc độ của phản ứng hóa học. 

Hằng số tốc độ của một phản ứng hóa học là tốc độ của phản ứng đó khi nồng độ các chất phản ứng đều bằng đơn vị (1mol/l), Nó phụ thuộc vào bản chất của chất phản ứng và nhiệt độ chứ không phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng.

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

b. Ảnh hưởng của áp suất.

Áp suất ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng có chất khí. Khi tăng áp suất, 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:

$2{\mathrm{HI}}_{\left(\mathrm{k}\right)}\stackrel{}{\to } {\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{k}\right)} + {\mathrm{I}}_{2\left(\mathrm{k}\right)}$

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.

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

Đa số phản ứng hóa học có tốc độ tăng lên khi tăng nhiệt dộ.

Theo quy tắc kinh nghiệm đề ra năm 1884 bởi Van't Hoff: "Khi tăng nhiệt độ thêm 10o, tốc độ của các phản ứng tăng từ 2 đến 4 lần".

Tỉ số của các hằng số tốc độ ở nhiệt độ t + 10o và ở nhiệt độ t được gọi là hệ số nhiệt độ $\mathrm{\gamma }$

$\mathrm{\gamma }=\frac{{\mathrm{k}}_{\mathrm{t}+{10}^{\mathrm{o}}}}{{\mathrm{k}}_{\mathrm{t}}}= 2 \mathrm{đến} 4$

Một phản ứng nếu có $\mathrm{\gamma }=3$ chẳng hạn, khi tăng nhiệt độ thêm 100oC, tốc độ của nó tăng lên:

$3^{\frac{100}{10}}= 59049 \mathrm{lần}$

Tại sao nhiệt độ có ảnh hưởng mạnh đến tốc độ phản ứng?

Vì điều kiện để có tương tác hóa học là sự va chạm giữa các hạt của các chất phản ứng nên một cách tự nhiên người ta cho rằng, khi nhiệt độ tăng chuyển động nhiệt của phân tử tăng lên, số va chạm giữa chúng tăng lên làm cho tốc độ phản ứng tăng lên. 

d. Ảnh hưởng của diện tích tiếp xúc

Khi tăng diện tích tiếp xúc của các chất phản ứng tốc độ phản ứng tăng.

e. Ảnh hưởng của chất xúc tác

Chất xúc tác là chất có tác dụng làm biến đổi mãnh liệt tốc độ phản ứng hoặc gây nên phản ứng nếu phản ứng đó, về nguyên tắc, có thể thực hiện được ($∆\mathrm{G}<0$) và sau phản ứng, sẽ không biến đổi về chất lượng.

Ví dụ 1: Hỗn hợp của bột nhôm và iot, ở nhiệt độ thường không cho dấu hiệu gì tỏ ra có tương tác hóa học, nhưng khi cho thêm một ít nước, phản ứng xảy ra mãnh liệt. Ở đây nước là chất xúc tác.

Ví dụ 2: Hidro và oxi, như đã biết, ở nhiệt độ thường hầu như không phản ứng với nhau, nhưng khi đưa một ít bột platin vào hỗn hợp của hai khí đó phản ứng tạo thành nước xảy ra tức khắc. Ở đây Pt là chất xúc tác.

Những chất xúc tác xúc tiến quá trình phản ứng xảy ra nhanh hơn gọi là chất xúc tác dương. Ngược lại những chất xúc tác làm cho quá trình xảy ra chậm lại gọi là chất xúc tác âm hoặc chất ức chế.

Trong kĩ thuật hiện đại, chất xúc tác dương được sử dụng rất rộng rãi. Ví dụ trong các quá trình tổng hợp amoniac, sản xuất axit sunfuric, axit nitric, cao su nhân tạo, chất dẻo, polime và các quá trình lên men. Tuy nhiên chất xúc tác âm cũng được sử dụng để hạn chế những phản ứng có hại, ví dụ trong việc bảo quản dầu và những chất khác khỏi bị oxi không khí oxi hóa (làm chất chống oxi hóa) hoặc việc chống ăn mòn kim loại (làm chất ức chế).