Giải chuyên đề học tập Hoá học 10 CTST bài 3: Năng lượng hoạt hoá của phản ứng hoá học

Câu hỏi khởi động

Trong ruột non hầu hết chúng ta đều có enzyme lactase, có tác dụng chuyển hóa lactase còn gọi là đường sữa (C12H22O11) có trong thành phần của sữa và các sản phẩm từ sữa tạo thành Glucose (C6H12O6) và galactose (C6H12O6) giúp cơ thể dễ dàng hấp thu; quá trình này đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển và tăng cường miễn dịch của trẻ nhỏ. Khi cơ thể thiếu loại enzyme này, lactose không được tiêu hóa sẽ bị vi khuẩn lên men sinh ra khí và gây đau bụng. Enzyme lactase đóng vai trò xúc tác trong quá trình chuyển hóa lactose. Xúc tác ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ chuyển hóa giữa các chất?

Xúc tác đẩy nhanh tốc độ chuyển hóa giữa các chất

I. NĂNG LƯỢNG HOẠT HOÁ

Câu hỏi 1. Quan sát Hình 3.1, cho biết số va chạm hiệu quả và khả năng xảy ra phản ứng của chất tham gia thay đổi như thế nào khi giá trị năng lượng hoạt hoá càng giảm?

Câu hỏi 2. Từ thông tin trong phần Khởi động, khi có chất xúc tác, năng lượng hoạt hoá của phản ứng chuyển hoá lactose tăng hay giảm? Giải thích. 

Câu hỏi luyện tập: Khả năng xảy ra của một phản ứng hoá học như thế nào khi năng lượng hoạt hoá của phản ứng rất lớn? Giải thích. 

Câu hỏi 1. 

Khi năng lượng hoạt hoá giảm, sẽ có nhiều phần tử đủ năng lượng vượt qua năng lượng hoạt hoá để tạo ra nhiều va chạm hiệu quả hơn, khả năng xảy ra phản ứng cao hơn, tốc độ phản ứng tăng. 

Câu hỏi 2. 

Từ thông tin trong phần Khởi động, khi có xúc tác enzyme lactase, giúp quá trình chuyển hoá lactose thành glucose và galactose dễ dàng hơn, nếu thiếu loại enzyme này, lactose không được tiêu hoá. Vậy, khi có xúc tác, năng lượng hoạt hoá của phản ứng chuyển hoá lactose giảm, phản ứng xảy ra dễ dàng hơn. 

Câu hỏi luyện tập

Năng lượng hoạt hoá của phản ứng càng lớn, càng có ít phần tử chất phản ứng đủ năng lượng để tạo ra các va chạm hiệu quả, phản ứng xảy ra rất chậm.

2. ẢNH HƯỞNG CỦA NĂNG LƯỢNG HOẠT HOÁ VÀ NHIỆT ĐỘ ĐẾN TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG

Câu hỏi 3. Dựa vào Arrhenius phương pháp, tốc độ phản ứng thay đổi thế nào khi tăng nhiệt độ phản ứng?

Câu hỏi 4. Từ ví dụ 2, tốc độ phản ứng phân huỷ N2O5, thay đổi như thế nào khi giảm nhiệt độ về 25°C? Nhận xét được sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng tốc độ.

Câu hỏi luyện tập

Một phản ứng có năng lượng hoạt hoá là 24 kJ/mol, so sánh tốc độ phản ứng diễn ra ở 2 nhiệt độ là 27°C đến 127°C.

Câu hỏi 3.

Theo kinh nghiệm phương pháp của Arrhenius, ta có: k = A.e$^{-\frac{E_{a}}{RT}}$. Trong cùng một phản ứng, Ea không thay đổi, hằng số A và R không thay đổi, khi tăng nhiệt độ, dẫn đến hằng số tốc độ k của phản ứng  tăng, nên tốc độ phản hồi tăng lên. 

Câu hỏi 4.

Phương trình Arrhenius viết cho phản ứng trên như sau:

$ln\frac{k_{2}}{k_{1}}=\frac{E_{a}}{R}(\frac{1}{T_{1}}-\frac{1}{T_{2}})$

⇒ $ln\frac{k_{2}}{k_{1}}=\frac{103,5.10^{3}}{8,314}(\frac{1}{45+273}-\frac{1}{25+273})$ = - 2,627

⇒$\frac{k_{2}}{k_{1}}$= 0,072 ⇒ k1 = 13,89k2

Tốc độ phản ứng giảm 13,89 lần khi giảm nhiệt độ phản ứng từ 45°C đến 25°C.

Trong một số phản ứng hóa học, tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nhiệt độ của phản ứng. 

Phương trình viết cho phản ứng trên như sau:

$ln\frac{k_{2}}{k_{1}}=\frac{E_{a}}{R}(\frac{1}{T_{1}}-\frac{1}{T_{2}})$

⇒$ln\frac{k_{2}}{k_{1}}=\frac{24.10^{3}}{8,314}(\frac{1}{27+273}-\frac{1}{127+273})$ = 2,406 

⇒$\frac{k_{2}}{k_{1}}$= 11,09 ⇒ k1 = 13,89k2

Vậy, ở nhiệt độ 127°C, tốc độ phản ứng nhanh hơn 11,09 lần so với ở nhiệt độ 27°C. 

3. VAI TRÒ CỦA XÚC TÁC

Câu hỏi 5. Nhận xét ảnh hưởng của enzyme đối với năng lượng hoạt hoá của phản ứng. 

Câu hỏi luyện tập: Trong công nghiệp hoá chất, nhiều công đoạn sản xuất, người ta sử dụng chất xúc tác để tăng tốc độ của phản ứng, như: phản ứng tổng hợp SO3 từ SO2 và O2 dùng xúc tác V2O5. Hãy kể tên một số xúc tác cho các phản ứng mà em biết.

Câu hỏi vận dụng

Tại sao muốn cá, thịt nhanh mềm, người ta thường chế biến kèm với những lát dứa (thơm) hoặc thêm một ít nước ép của dứa?

Câu hỏi 5. 

Enzyme là chất xúc tác sinh học, có vai trò làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng.

Lưu ý: Năng lượng hoạt hoá của một phản ứng hoá học không thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Khi tăng nhiệt độ, sẽ có nhiều hơn phần tử chất tham gia đủ năng lượng để tạo ra các va chạm hiệu quả, tạo thành sản phẩm. Đối với một số phản ứng sử dụng chất xúc tác, chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng, giúp phản ứng xảy ra nhanh hơn.

Câu hỏi luyện tập:

Phản ứng tổng hợp NH3 từ N2 và H2 cần xúc tác Pt, trong công nghiệp sản xuất HNO3 phân bón chứa nguyên tố vi lượng N; trong nhiều phản ứng hữu cơ, cần xúc tác giúp phản ứng dễ xảy ra: phản ứng trùng hợp tạo ra các loại polymer, phản ứng tổng hợp CH3OH từ CH4 và O2 ,... 

Câu hỏi vận dụng

Trong dứa (thơm) có loại enzyme bromelain thuộc loại enzyme protease có khả năng phân giải protein thành các chất đơn giản hơn (các peptide). Thịt, cá là loại thức phẩm chứa nhiều protein, khi đun nấu với dứa (nước ép của dứa) sẽ xúc tác cho quá trình phân giải chuỗi protein, thịt cá nhanh nhừ và cơ thể cũng dễ hấp thu hơn.

BÀI TẬP

1. Cho giản đồ năng lượng của các phản ứng

a) Hãy biểu diễn năng lượng hoạt hoá trên giản đồ năng lượng của phản ứng trong từng trường hợp.

b) Giản đồ năng lượng nào biểu diễn ảnh hưởng của xúc tác đến năng lượng hoạt hoá của phản ứng?

2. Cho hằng số tốc độ của một phản ứng là 11 M-1s-1 tại nhiệt độ 345 K và hằng số thực nghiệm Arrhenius là 20 M-1s-1. Tính năng lượng hoạt hoá của phản ứng trên.

3. Tìm hằng số tốc độ phản ứng k ở 273 K của phản ứng phân huỷ

N2O5 (g) → N2O4 (g) + $\frac{1}{2}$O2 (g)

 Biết rằng ở 300 K , năng lượng hoạt hoá là 111 kJ/mol và hằng số tốc độ phản ứng là 10-10s- 1.

 4. Phản ứng tổng hợp SO3 trong dây chuyền sản xuất sulfuric acid:

 2SO2 (g) + O2 (g) → 2SO3 (g)

 Tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào khi tăng nhiệt độ từ 350°C lên 450°C . Biết năng lượng hoạt hoá của phản ứng là 314 kJ/mol.

1.

a)

b) Giản độ (c) dùng để biểu diễn ảnh hưởng của xúc tác đến năng lượng hoạt hóa của phản ứng.

2. 

Phương trình kinh nghiệm Arrhenius, ta có: k = A.e$^{-\frac{E_{a}}{RT}}$

⇒ Ea =  - RT.$ln\frac{k}{A}$ = -8,314.345.$ln\frac{11}{20}$ = 1714,8 (J/mol)

3. 

Phương trình Arrhenius cho phản ứng ở hai nhiệt độ khác nhau như sau:

$ln\frac{k_{2}}{k_{1}}=\frac{E_{a}}{R}(\frac{1}{T_{1}}-\frac{1}{T_{2}})$

⇒ $ln\frac{k_{2}}{k_{1}}=\frac{111.10^{3}}{8,314}(\frac{1}{273}-\frac{1}{300})$ = 4,401

⇒$\frac{k_{2}}{k_{1}}$= 82

Với k2 =10-10s- 1 ⇒ k1 = 1,22.10-12(s-1)

4. Phương trình Arrhenius cho phản ứng ở hai nhiệt độ khác nhau như sau:

$ln\frac{k_{2}}{k_{1}}=\frac{E_{a}}{R}(\frac{1}{T_{1}}-\frac{1}{T_{2}})$

⇒ $ln\frac{k_{2}}{k_{1}}=\frac{314.10^{3}}{8,314}(\frac{1}{350+273}-\frac{1}{450+273})$ = 8,385 

⇒$\frac{k_{2}}{k_{1}}$= 4380

Khi tăng nhiệt độ từ 350°C lên 450°C thì tốc độ phản ứng tăng 4380 lần.