ĐỘNG HÓA HỌC
ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT
Chương 1 Mở đầu
Chương 2 Động hoá học phản ứng đơn giản
Chương 3 Động hóa học của phản ứng phức tạp
Chương 4 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng
Chương 5 Thuyết va chạm hoạt động và phức hoạt động
Chương 6 Ảnh hưởng của áp suất lên tốc độ phản ứng
Chương 7 Ảnh hưởng của dung môi lên tốc độ phản ứng
Chương 8 Phản ứng dây chuyền và quang hóa
Chương 9 Ảnh hưởng của chất xúc tác lên tốc độ phản ứng
Chương
10 Ảnh hưởng của hiệu ứng thế lên tốc độ phản ứng
Chương
11 Phản ứng nhanh trong dung dịch và động hóa học của nó
Chương
12 Đại cương về cơ chế phản ứng và phương pháp nghiên cứu
CHƯƠNG I
MỞ ÐẦU
I. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG HOÁ HỌC
II. TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG
1. Định nghĩa
2. Biểu thức tính tốc độ phản ứng
III. ĐỊNH LỰC TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG
IV. PHÂN LOẠI ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG
1. Phân tử số phản ứng
2. Bậc phản ứng
3. So sánh phân tử số và bậc phản ứng
4. Phản ứng bậc giả
5. Một số nhận xét
Bài tập chương I
CHƯƠNG I
MỞ ÐẦU
I. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG HOÁ HỌC
Ðộng học hóa học là một bộ phận của hóa lý. Ðộng học hóa học có thể được gọi tắt là động hóa học.
Ðộng hóa học là khoa học nghiên cứu về tốc độ phản ứng hóa học. Tốc độ phản ứng hóa học bị ảnh
hưởng bởi nhiều yếu tố. Các yếu tố đó là nồng độ, nhiệt độ, áp suất, dung môi, chất xúc tác, hiệu ứng thế,
hiệu ứng đồng vị, hiệu ứng muối... Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đó lên tốc độ phản ứng, người ta mới
hiểu biết đầy đủ bản chất của các biến hóa xảy ra trong mỗi phản ứng hóa học, xác lập được cơ chế phản ứng.
Nhờ hiểu rõ cơ chế phản ứng, cho phép chúng ta lựa chọn các yếu tố thích hợp tác động lên phản ứng, tinh
chế độ làm việc tối ưu của lò phản ứng làm cho phản ứng có tốc độ lớn, hiệu suất cao, tạo ra sản phẩm theo
ý muốn.
Người ta phân biệt động hóa học hình thức và động hóa học lý thuyết. Ðộng hóa học hình thức chủ yếu
thiết lập các phương trình liên hệ giữa nồng độ chất phản ứng với hằng số tốc độ và thời gian phản ứng, còn
động hóa học lý thuyết dựa trên cơ sở cơ học lượng tử, vật lý thống kê, thuyết động học chất khí tính được
giá trị tuyệt đối của hằng số tốc độ phản ứng. Ðó là thuyết va chạm hoạt động và phức hoạt động.
Ðộng hóa học hình thành từ nửa cuối thế kỷ XIX trên cơ sở nghiên cứu các phản ứng hữu cơ trong pha
lỏng. Những người đầu tiên trong lĩnh vực này là Wilamson, Wilhelmi (1812 - 1864) và các tác giả của định
luật tác dụng khối lượng, Guldberg (1836 - 1902) và Waage (1833 - 1900). Những cơ sở của động hóa học
được đúc kết trong các công trình của Van't Hoff và Arrhenuis trong những năm 1880, trong đó đã đưa ra
khái niệm về năng lượng hoạt động hóa và giải thích ý nghĩa của bậc phản ứng trên cơ sở của thuyết động
học.
Khái niệm về xúc tác được Berzlius đưa vòa khoa học 1835. Ostwald đã có nhiều đóng góp trong lĩnh
vực này, ông đã đưa ra định nghĩa chất xúc tác. Năm 1905 Silov đưa ra lý thuyết về phản ứng liên hợp. Phản
ứng quang hóa được nghiên cứu trong các công trình của B(denstein (1871 - 1942), Einstein (1879 - 1955),
Nernst. Phản ứng dây chuyền được Semenov (1896) và Hinshelwood (1879 - 1967) nghiên cứu từ khoảng
năm 1926, đưa đến hình thành lý thuyết phản ứng dây chuyền.
Trong những năm 1930, trên cơ sở các công trình nghiên cứu của Eyring, Evans và Polani đã hình
thành lý thuyết tốc độ tuyệt đối của phản ứng hóa học.
II. TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG
1. Ðịnh nghĩa TOP
Các phản ứng diễn ra nhanh chậm khác nhau, có phản ứng rất nhanh, gần như tức khắc, ví dụ phản ứng
phân hủy chất nổ chỉ diễn ra trong vòng Một số phản ứng của các ion trong dung dịch cũng thuộc
loại phản ứng đó, ví dụ phản ứng giữa các ion .
Nhiều phản ứng khác kéo dài hàng phút, hàng giờ, hàng ngày. Ða số các phản ứng của hợp chất hữu cơ
thường diễn ra chậm có thể kéo dài hàng tuần, hàng tháng, những quá trình trong vỏ quả đất, trong vũ trụ có
thể lâu tới hàng năm, hàng triệu tỷ năm. Ðể đặc trưng cho sự nhanh chậm của phản ứng, người ta dùng khái
niệm tốc độ phản ứng và được định nghĩa như sau:
"Tốc độ phản ứng là biến thiên nồng độ của một chất đã cho (chất đầu hoặc chất cuối) trong một đơn vị
thời gian.
2. Biểu thức tính tốc độ phản ứng TOP
Ở nhiệt độ không đổi, giả sử có phản ứng hóa học diễn ra theo sơ đồ:
Phương trình phản ứng (I) gọi là phương trình tỷ lượng. Ðể biểu diễn tốc độ phản ứng người ta có thể
chọn bất kỳ chất nào trong phản ứng (A, B, X, Y), nhưng trong thực tế, người ta thường chọn chất nào dễ
theo dõi, dễ xác định được lượng của chúng ở các thời điểm khác nhau.
Ở đây, ta chọn chất A, X để khảo sát và cố định thể tích của hệ khảo sát (V = const).
III. ĐỊNH LUẬT TÁC DỤNG KHỐI LƯỢNG
Ðối với phản ứng tổng quát (II) ở T = const Guldberg và Waage thiết lập biểu thức liên hệ giữa tốc độ
phản ứng với nồng độ chất phản ứng. Ðó là biểu thức của định luật tác dụng khối lượng.
Biểu thức (1.6) biểu diễn định luật cơ bản của động hóa học, nó mô tả ảnh hưởng của nồng độ lên tốc
độ phản ứng.
Theo cách mô tả ở trên, ở nhiệt độ không đổi, tốc độ phản ứng là một hàm số nồng độ của một hoặc
một số chất phản ứng. Ðối với các loại phản ứng khác nhau dạng đường cong biểu diễn sự phụ thuộc này là
khác nhau.
k ở trong phương trình (1.6) là một hằng số ở nhiệt độ không đổi, nó đặc trưng động học cho phản ứng
cho trước. Nếu ta thu xếp cách biểu diễn nồng độ làm sao cho [A] = [B] = 1 mol/l thì v = k, vậy:
Hằng số tốc độ phản ứng là tốc độ phản ứng khi nồng độ các chất phản ứng bằng nhau và bằng đơn vị
(= 1).
Thứ nguyên (đơn vị biểu diễn) của hằng số tốc độ tùy thuộc vào loại (bậc) của phản ứng (xem bảng
2.1).
phương trình (1.6) được gọi là phương trình tốc độ hay phương trình động học của phản ứng hóa học.
So sánh (1.4) và (1.6) phương trình tốc độ còn được biểu thị:
Biểu thức này cho biết mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng với nồng độ. Dạng của đường biểu diễn này
cũng khác nhau.
IV. PHÂN LOẠI ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG
Về phương diện động hóa học, người ta có thể chia các phản ứng hóa học theo phân tử số và bậc phản
ứng.
1. Phân tử số phản ứng TOP
Phân tử số phản ứng là số phân tử tương tác đồng thời với nhau để trực tiếp gây ra biến hóa học trong
một phản ứng cơ bản. Còn phản ứng cơ bản (hay phản ứng sơ cấp) là phản ứng chỉ một giai đoạn duy nhất,
chất phản ứng tương tác với nhau trực tiếp cho sản phẩm phản ứng. Dựa vào khái niệm phân tử số phản ứng,
chúng ta có thể phân biệt ba loại phản ứng: phản ứng đơn phân tử, lưỡng phân tử và tam phân tử.
Khi các phân tử tương tác với nhau, không phải tất cả các va chạm giữa chúng đều dẫn đến biến hóa
hóa học, mà chỉ một phần nhỏ va chạm trong các va chạm dẫn đến biến hóa hóa học, va chạm đó gọi là va
chạm có hiệu quả hay va chạm hiệu dụng.
Khi phản ứng hóa học diễn ra, để đảm bảo cho các phân tử va chạm đồng thời dẫn đến biến đổi hóa
học, thì phản ứng càng nhiều phân tử tham gia càng khó thực hiện điều kiện trên. Người ta đã tính xác suất
và chạm, thì xác suất va chạm ba là bé nhất, có nghĩa phản ứng tam phân tử rất hiếm, trong thực tế người ta
chưa tìm thấy phản ứng có phân tử số cao hơn 3.