Giải chuyên đề học tập Hoá học 10 Cánh diều bài 3: Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học

Câu hỏi khởi động

Trong Hình 3.1, muốn lăn “hòn bi hóa học” sang phải theo chiều mũi tên màu xanh, hòn bi phải đi qua “hàng rào năng lượng” có chiều cao Ea. Những phát biểu nào sau đây là đúng?

A. Hàng rào Ea càng cao thì hòn bi càng dễ lăn qua.

B. Hàng rào Ea càng thấp thì hòn bi càng dễ lăn qua.

C. Cần phải cung cấp năng lượng cho hòn bi thì quá trình lăn sang mới xảy ra.

D. Hòn bi tự lăn sang phải mà không cần cung cấp thêm năng lượng.

Phát biểu B và C là đúng.

Để “hòn bi hóa học” lăn được sang phải, cần cung cấp năng lượng tối thiểu bằng chiều cao hàng rào năng lượng Ea để đẩy “hòn bi hóa học” lên tới đỉnh hàng rào.

⇒ Cần phải cung cấp năng lượng cho hòn bi thì quá trình lăn sang mới xảy ra.

Hàng rào Ea càng thấp thì hòn bi càng dễ lăn qua.

1. Năng lượng hoạt hóa

Vận dụng 1: Các phản ứng tạo gỉ kim loại có thể xảy ra ngay ở điều kiện nhiệt độ phòng mà không cần đun nóng. Hãy dự đoán năng lượng hoạt hóa của phản ứng là thấp hay cao.

Câu hỏi 1: Hình 3.3 biểu diễn cùng một phản ứng nhưng có năng lượng hoạt hóa khác nhau.

a) Trường hợp ứng với năng lượng hoạt hóa nào thì phản ứng xảy ra với tốc độ lớn hơn?

b) Biến thiên enthalpy phản ứng  (∆rH) trong trường hợp này là âm, nghĩa là thuận lợi (về enthalpy) cho phản ứng diễn ra. Nếu ∆rH rất âm nhưng phản ứng lại có Ea rất lớn thì phản ứng này có dễ dàng xảy ra không? Giải thích.

Vận dụng 1:

Năng lượng hoạt hóa là năng lượng tối thiểu mà các chất tham gia cần phải có để phản ứng có thể xảy ra.

Các phản ứng tạo gỉ kim loại có thể xảy ra ngay ở điều kiện nhiệt độ phòng mà không cần đun nóng ⇒ Năng lượng hoạt hóa của phản ứng tạo gỉ kim loại là thấp.

Câu hỏi 1: 

a) Với cùng một phản ứng, Ea càng nhỏ thì tốc độ phản ứng càng cao do càng nhiều nguyên tử hoặc phân tử đạt tới năng lượng này, tức là có càng nhiều va chạm hiệu quả xảy ra.

⇒ Trường hợp ứng với năng lượng hoạt hóa Ea (2) thì phản ứng xảy ra với tốc độ lớn hơn.

b) Nếu ∆rH rất âm nhưng phản ứng lại có Ea rất lớn thì phản ứng này cũng không dễ dàng xảy ra. Vì cần phải cung cấp một năng lượng lớn để các phân tử có động năng đủ lớn “phá vỡ hàng rào năng lượng”.

2. Ảnh hưởng của năng lượng hoạt hóa và nhiệt độ tới tốc độ phản ứng qua phương trình Arrhenius

Câu hỏi 2: Phát biểu định luật tác dụng khối lượng về tốc độ của phản ứng hóa học.

Luyện tập 1: Nếu ở ví dụ 1, E_a (1) = 100 kJ mol^-1  và E_a (2) = 150 kJ mol^-1  thì tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào?

Luyện tập 2: Nếu ở ví dụ 2, E_a = 50 kJ mol^-1  thì tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào?

Vận dụng 2: Hãy liên hệ kết quả ở ví dụ 2 với hệ số Van’t Hoff về sự thay đổi tốc độ phản ứng theo nhiệt độ 

Câu hỏi 2: 

Định luật tác dụng khối lượng về tốc độ của phản ứng hóa học: “Tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với tích nồng độ các chất tham gia phản ứng với số mũ thích hợp”.

Giả sử phản ứng đơn giản: mM + nN → sản phẩm, có biểu thức tốc độ phản ứng:

v = $C_{M}^{m}C_{N}^{n}$

Luyện tập 1

Tương tự ví dụ 1, Thay số vào biểu thức (4) ta có:

$\frac{k_{2}}{k_{1}}$ = $e^{\frac{(100-150).1000}{8,314.298}}$ =  1,72.10$^{-9}$

⇔$\frac{k_{1}}{k_{2}}$ = 5,81.10$^{8}$

 Như vậy trong trường hợp này, khi năng lượng hoạt hóa tăng 50 kJ mol$^{-1}$  thì tốc độ phản ứng giảm đi khoảng 581 triệu lần.

Luyện tập 2: 

Thay Ea = 50 kJ mol-1 ; T1 = 298; T2 = 308 vào phương trình (7) ta có:

$\frac{k_{2}}{k_{1}}$ = $e^{\frac{50.1000}{8,314}.\frac{308 - 298}{298.308}}$ ≈ 1,93

Vậy trong trường hợp Ea = 50 kJ mol$^{-1}$  thì tốc độ phản ứng tăng khoảng 1,93 lần.

Vận dụng 2: 

Theo Van’t Hoff với đa số các phản ứng, khi nhiệt độ tăng 10$^{o}$C thì tốc độ phản ứng tăng từ 2 – 4 lần. Hệ số nhiệt độ Van’t Hoff là γ = 2 – 4

Kết quả ở ví dụ 2 phù hợp với hệ số Van’t Hoff về sự thay đổi tốc độ phản ứng theo nhiệt độ

3. Vai trò của chất xúc tác

Câu hỏi 3: Một phản ứng diễn ra ở một nhiệt độ không đổi, khi thêm chất xúc tác, tốc độ phản ứng tăng lên do năng lượng hoạt hóa bị thay đổi. Vậy chất xúc tác làm tăng hay giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng?

Vận dụng 3: Vì sao trong lĩnh vực sản xuất hóa chất, người ta thường sử dụng chất xúc tác? Kể tên một số quá trình sản xuất hóa chất và chất xúc tác được sử dụng mà em biết.

Câu hỏi 3 

Đối với một phản ứng, năng lượng hoạt hóa E_a càng nhỏ thì tốc độ phản ứng càng cao.

Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng ⇒ Chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng.

Thực tế các nghiên cứu đã chỉ ra chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng. (Hình 3.5)

Vận dụng 3

• Chất xúc tác có vai trò làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng từ đó làm tăng tốc độ của phản ứng hóa học.
• Trong lĩnh vực sản xuất hóa chất, người ta thường sử dụng chất xúc tác vì một số mục đích sau:
• Sử dụng chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng hóa học, làm cho quá trình sản xuất đạt hiệu suất cao.

Ví dụ: Trong các nhà máy sản xuất phân đạm người ta thường dùng sắt làm chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng giữa nitrogen (N₂) và hydrogen (H₂), giúp đạt hiệu quả cao trong quá trình sản xuất.

• Sử dụng chất xúc tác để sản xuất được sản phẩm theo hướng mong đợi

Ví dụ: Platinium (Pt) dùng làm chất xúc tác cho quá trình oxi hóa ammonia (NH₃) thành sản phẩm mong muốn là nitrogen oxide (NO) để sản xuất nitric acid (HNO₃) Nếu không có xúc Pt thì phản ứng sẽ tạo ra N₂

Bài tập:

Bài 1: Cho phản ứng:

2NO2(g) → 2NO(g) + O2(g)

So sánh tốc độ phân hủy NO2 ở nhiệt độ 25oC (nhiệt độ thường) và 800oC (nhiệt độ ống xả khí thải động cơ đốt trong). Biết Ea = 114 kJ mol-1

Bài 2: Cho phản ứng: 2SO2(g) + O2(g) → 2SO3(g)

Biết Ea = 314 kJ mol-1

a) Hãy so sánh tốc độ phản ứng ở 25oC và 450oC

b) Nếu sử dụng xúc tác là hỗn hợp V2O5 và TiO2 thì năng lượng hoạt hóa của phản ứng giảm xuống chỉ còn 84 kJ mol-1 . Hãy so sánh tốc độ phản ứng khi có và không có chất xúc tác ở nhiệt độ 450oC.

Bài 3: Thực hiện hai thí nghiệm hòa tan đá vôi vào dung dịch HCl 1M ở cùng một nhiệt độ.

Thí nghiệm 1: Cho 0,5 gam đá vôi dạng bột vào 10 mL HCl 1 M.

Thí nghiệm 2: Cho 0,5 gam đá vôi dạng viên vào 10 mL HCl 1 M.

a) Tốc độ phản ứng ở thí nghiệm nào nhanh hơn? Giải thích.

b) Năng lượng hoạt hóa của hai phản ứng bằng nhau hai khác nhau?

Bài 4: Cho phản ứng:

C2H4(g) + H2(g) → C2H6(g)

Năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi có xúc tác Pd là 35 kJ mol-1 . Hãy so sánh sự thay đổi tốc độ phản ứng khi có xúc tác Pd ở nhiệt độ 300 K và 475 K.

Bài 5: Giả sử hai phản ứng hóa học khác nhau có cùng Ea, diễn ra ở cùng nhiệt độ. Vậy hằng số tốc độ k có luôn bằng nhau không?

Bài 1: 

Áp dụng công thức: $\frac{k_{2}}{k_{1}}$ = $e^{\frac{E_{a}}{R}.\frac{T_{2} - T_{1}}{T_{2} . T_{1}}}$

Ta có  $\frac{k_{2}}{k_{1}}$ = $e^{\frac{114.1000}{8,314}.\frac{1073 - 298}{298.1073}}$ ≈  2,7.1014

Vậy tốc độ phân hủy NO2 ở 800oC (nhiệt độ của ống xả khí thải động cơ đốt trong) gấp khoảng 2,7.1014 lần tốc độ phân hủy NO2 ở 25oC (nhiệt độ thường).

Bài 2: 

a) Áp dụng công thức: $\frac{k_{2}}{k_{1}}$ = $e^{\frac{E_{a}}{R}.\frac{T_{2} - T_{1}}{T_{2} . T_{1}}}$

Ta có  $\frac{k_{2}}{k_{1}}$ = $e^{\frac{314.1000}{8,314}.\frac{723 - 298}{298.723}}$ ≈ 2,26.1032

Vậy khi nhiệt độ tăng từ 25oC đến 450oC thì tốc độ phản ứng tăng 2,26.1032 lần.

b) Áp dụng công thức: 

$\frac{k_{2}}{k_{1}}$ = $e^{\frac{E_{a}(1) - E_{a}(2)}{RT}}$

Ta có: $\frac{k_{2}}{k_{1}}$ = $e^{\frac{(314−84).1000}{8,314.723}}$ = 4,14.1016

Vậy khi thêm chất xúc tác thì tốc độ phản ứng tăng 4,14.1016 lần (dù nhiệt độ giữ nguyên 450oC).

Bài 3: 

a) Tốc độ phản ứng ở thí nghiệm 1 nhanh hơn. Vì khi sử dụng đá vôi dạng bột thì diện tích bề mặt tiếp xúc của đá vôi với các phân tử HCl lớn hơn dẫn đến tốc độ phản ứng nhanh hơn.

b) Năng lượng hoạt hóa của hai phản ứng là bằng nhau vì diện tích bề mặt không ảnh hưởng đến năng lượng hoạt hóa.

Bài 4:

Áp dụng công thức: $\frac{k_{2}}{k_{1}}$ = $e^{\frac{E_{a}}{R}.\frac{T_{2} - T_{1}}{T_{2} . T_{1}}}$

Ta có  $\frac{k_{2}}{k_{1}}$ = $e^{\frac{35.1000}{8,314}.\frac{748 - 573}{748.573}}$ = 5,58

Vậy khi có xúc tác Pd tốc độ phản ứng tăng 5,58 lần khi nhiệt độ thay đổi từ 300 K lên 475 K.

Bài 5: Theo phương trình Arrhenius ta có:

k =$Ae^{\frac{-E_{a}}{RT}}$ (1)

Trong đó A là hằng số cho một phản ứng xác định.

Hai phản ứng có cùng Ea, diễn ra ở cùng nhiệt độ

tuy nhiên hằng số A của hai phản ứng là khác nhau ⇒ Tốc độ k khác nhau.