Giải bài tập Hóa lớp 10 Bài 19: Tốc độ phản ứng

Mở đầu trang 92 Hóa học 10: Làm thế nào có thể so sánh sự nhanh, chậm của các phản ứng hoá học để thúc đẩy hoặc kìm hãm nó theo mong muốn?

Lời giải:

Để so sánh sự nhanh, chậm của các phản ứng hóa học, ta có thể dựa vào tốc độ phản ứng hóa học.

Ta có thể áp dụng nhiều biện pháp, kĩ thuật để thay đổi tốc độ phản ứng như thay đổi nồng độ, nhiệt độ, dùng chất xúc tác,…

I. Tốc độ phản ứng hóa học

Câu hỏi 1 trang 93 Hóa học 10: Xét phản ứng: H₂ + Cl₂ → 2HCl.

Nghiên cứu sự thay đổi nồng độ một chất trong phản ứng theo thời gian, thu được đồ thị sau:

a) Đồ thị này mô tả sự thay đổi nồng độ theo thời gian của chất nào?

b) Nêu đơn vị của tốc độ phản ứng trong trường hợp này.

Lời giải:

a) Dựa vào đồ thị ta thấy: Nồng độ ban đầu của chất là 0 mol/L. Thời gian của phản ứng tăng, nồng độ dung dịch chất tăng.

⇒ Đồ thị này mô tả sự thay đổi nồng độ theo thời gian của chất sản phẩm HCl.

b) Đơn vị của tốc độ phản ứng trong trường hợp này là mol/(L.min).

Hoạt động trang 93 Hóa học 10: Phản ứng phân hủy H₂O₂:

H₂O₂ ⟶ H₂O + $\frac{1}{2}$ O₂

Kết quả thí nghiệm đo nồng độ H₂O_2­ tại các thời điểm khác nhau được trình bày trên Bảng 19.1.

Bảng 19.1. Kết quả thí nghiệm phản ứng phân hủy H₂O₂

Biến thiên nồng độ trong khoảng thời gian từ 0 giờ đến 3 giờ là:

0,707 – 1,000 = – 0,293 (mol/L)

(Dấu "–" thể hiện rằng nồng độ H₂O₂ giảm dần khi phản ứng xảy ra.)

Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 0 giờ đến 3 giờ được tính như sau:

$V_{tb}=-\frac{C_{H_2{O}_2\left(3h\right)}-C_{H_2{O}_2\left(0h\right)}}{3-0}$= $-\frac{0,707-1,000}{3}=0,098$(mol/ (L.h))

(Đặt dấu "–" trước biểu thức để tốc độ phản ứng có giá trị dương.)

Thực hiện các yêu cầu sau:

1. Hãy tính tốc độ phản ứng theo nồng độ H₂O₂ trong các khoảng thời gian từ:

a) 3 giờ đến 6 giờ;               b) 6 giờ đến 9 giờ            c) 9 giờ đến 12 giờ.

2. Nhận xét về sự thay đổi tốc độ phản ứng theo thời gian.

Lời giải:

1. a) Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 3 giờ đến 6 giờ là:

$V_{tb}=-\frac{C_{H_2{O}_2\left(6h\right)}-C_{H_2{O}_2\left(3h\right)}}{6-3}$= $-\frac{0,500-0,707}{3}=0,069$ (mol/ (L.h))

b) Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 6 giờ đến 9 giờ là:

$V_{tb}=-\frac{C_{H_2{O}_2\left(9h\right)}-C_{H_2{O}_2\left(6h\right)}}{9-6}$= $-\frac{0,354-0,500}{3}=0,049$ (mol/ (L.h))

c) Tốc độ phản ứng trong khoảng thời gian từ 9 giờ đến 12 giờ là:

$V_{tb}=-\frac{C_{H_2{O}_2\left(12h\right)}-C_{H_2{O}_2\left(9h\right)}}{12-9}$= $-\frac{0,250-0,354}{3}=0,035$ (mol/ (L.h))

2. Nhận xét về sự thay đổi tốc độ phản ứng theo thời gian: Tốc độ phản ứng giảm dần theo thời gian.

Câu hỏi 2 trang 94 Hóa học 10: Cho phản ứng của các chất ở thể khí:

2NO + 2H₂ → N₂ + 2H₂O

Hãy viết biểu thức tính tốc độ trung bình theo sự biến đổi nồng độ chất đầu và chất sản phẩm của phản ứng trên.

Lời giải:

Biểu thức tính tốc độ trung bình theo sự biến đổi nồng độ chất đầu và chất sản phẩm của phản ứng trên là:

$V_{tb}=-\frac{1}{2}.\frac{\Delta C_{NO}}{\Delta t}=-\frac{1}{2}.\frac{\Delta C_{H_2}}{\Delta t}=\frac{\Delta C_{N_2}}{\Delta t}=\frac{1}{2}.\frac{\Delta C_{H_{2}O}}{\Delta t}$

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

Hoạt động trang 95 Hóa học 10: Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng:

Na₂S₂O₃ + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + S + SO₂ + H₂O

Chuẩn bị: Các dung dịch: Na₂S₂O₃ 0,05 M, Na₂S₂O₃ 0,10 M, Na₂S₂O₃ 0,30 M, H₂SO₄ 0,5 M; 3 bình tam giác, đồng hồ bấm giờ, tờ giấy trắng có kẻ chữ X.

Tiến hành:

- Cho vào mỗi bình tam giác 30 mL dung dịch Na₂S₂O₃ với các nồng độ tương ứng là 0,05 M; 0,10 M và 0,30 M. Đặt các bình lên tờ giấy trắng có kẻ sẵn chữ X.

- Rót nhanh vào mỗi bình 30 mL dung dịch H₂SO₄ 0,5 M và bắt đầu bấm giờ.

Lưu ý: Phản ứng có sinh ra khí độc. Cần tiến hành cẩn thận và tránh ngửi trực tiếp trên miệng bình tam giác.

Hình 19.3 Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng

Quan sát vạch chữ X trên tờ giấy dưới đáy bình, ghi lại thời điểm không nhìn thấy vạch chữ X nữa và trả lời câu hỏi:

1. Phản ứng ở bình nào xảy ra nhanh nhất? Chậm nhất?

2. Nồng độ ảnh hưởng thế nào đến tốc độ phản ứng?

Lời giải:

1. Phản ứng ở bình chứa dung dịch Na₂S₂O₃ có nồng độ 0,3M xảy ra nhanh nhất.

Phản ứng ở bình chứa dung dịch Na₂S₂O₃ có nồng độ 0,05M xảy ra chậm nhất.

2. Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng: Khi nồng độ các chất tham gia tăng, tốc độ phản ứng tăng.

Câu hỏi 3 trang 96 Hóa học 10: Cho phản ứng: X + Y → XY

Biết tốc độ phản ứng tỉ lệ thuận với nồng độ của các chất tham gia phản ứng với số mũ là hệ số tỉ lượng của chất đó trong phương trình hoá học.

a) Hãy viết phương trình tốc độ của phản ứng này.

b) Ở một nhiệt độ xác định, hằng số tốc độ của phản ứng này là 2,5.10^-4 L/(mol.s). Nồng độ đầu của X và Y lần lượt là 0,02 M và 0,03 M. Hãy tính tốc độ phản ứng:

– Tại thời điểm đầu.

– Tại thời điểm đã hết một nửa lượng X.

Lời giải:

a) Phương trình tốc độ của phản ứng: v = k.C_X.C_Y

b) Tốc độ phản ứng tại thời điểm đầu là:

v = 2,5.10^-4.0,02.0,03 = 1,5.10^-7 (mol/(L.s))

- Tại thời điểm đã hết một nửa lượng X

⇒ Nồng độ X còn 0,01M và đã phản ứng 0,01M

$\begin{array}{l}X+Y\to XY\\ 0,01M\to 0,01M\end{array}$

⇒ Theo phương trình, nồng độ Y phản ứng là 0,01M

⇒ Tại thời điểm xét, nồng độ Y còn 0,03M – 0,01M = 0,02M

⇒ v = 2,5.10^-4.0,01.0,02 = 5.10^-8 (mol/(L.s))

Câu hỏi 4 trang 97 Hóa học 10: Nêu mối liên hệ giữa nồng độ và áp suất của khí trong hỗn hợp.

Lời giải:

Trong hỗn hợp khí, nồng độ mỗi khí tỉ lệ thuận với áp suất của nó. Khi nén hỗn hợp khí (giảm thể tích) thì nồng độ mỗi khí tăng lên và ngược lại.

Câu hỏi 5 trang 97 Hóa học 10: Áp suất ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng nào sau đây?

N₂(g) + 3H₂(g) $\stackrel{t^o,xuctac}{\to }$ 2NH₃(g)                          (1)

CO₂(g) + Ca(OH)₂(aq) ⟶ CaCO₃(s) + H₂O (l)       (2)

SiO₂(s) + CaO(s) ⟶ CaSiO₃(s)                                (3)

BaCl₂(aq) + H₂SO₄(aq) ⟶ BaSO₄(s) + 2HCl(aq)   (4)

Lời giải:

Chú ý: Việc thay đổi áp suất không làm ảnh hưởng đến tốc độ của phản ứng không có chất khí tham gia.

Xét phản ứng (1), (2) có sự tham gia của chất khí (g) ⇒ Áp suất ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

Xét phản ứng (3), (4) không có sự tham gia của chất khí (g) ⇒ Áp suất không ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng.

Hoạt động trang 97 Hóa học 10: Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng: Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂↑

Chuẩn bị: Mg dạng phoi bào, dung dịch phenolphthalein, nước cất, 2 ống nghiệm, đèn cồn, kẹp gỗ.

Tiến hành:

- Cho vào mỗi ống nghiệm khoảng 3 mL nước cất.

- Nhỏ vào mỗi ống nghiệm 1 – 2 giọt phenolphthalein và cho vào mỗi ống 1 mẫu phoi bào Mg.

- Đun nóng 1 ống nghiệm.

Lưu ý: Làm sạch bề mặt Mg trước khi tiến hành thí nghiệm.

Quan sát và trả lời câu hỏi:

1. Sự thay đổi màu sắc trong ống nghiệm nào nhanh hơn?

2. Nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ phản ứng?

Lời giải:

1. Ống nghiệm được đun nóng, màu của dung dịch chuyển sang màu hồng nhanh hơn.

2. Khi tăng nhiệt độ, các hạt (phân tử, nguyên tử hoặc ion) sẽ chuyển động nhanh hơn, động năng cao hơn. Khi đó, số va chạm hiệu quả giữa các hạt tăng lên, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng.

Câu hỏi 6 trang 98 Hóa học 10: Hãy giải thích tại sao khi nhiệt độ tăng thì tốc độ phản ứng tăng.

Lời giải:

Khi tăng nhiệt độ, các hạt (phân tử, nguyên tử hoặc ion) sẽ chuyển động nhanh hơn, động năng cao hơn. Khi đó, số va chạm hiệu quả giữa các hạt tăng lên, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng.

Câu hỏi 7 trang 98 Hóa học 10: Nêu ý nghĩa của hệ số nhiệt độ Van't Hoff.

Lời giải:

Ta có biểu thức: $\gamma =\frac{v_{T+10}}{v_T}$

Trong đó, γ là hệ số nhiệt độ Van’t Hoff, v_T là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T, v_T+10 là tốc độ phản ứng tại nhiệt độ T +10.

⇒ Ý nghĩa: Hệ số nhiệt độ cho biết khi nhiệt độ tăng lên 10^oC thì tốc độ phản ứng tăng bao nhiêu lần. Giá trị của γ càng lớn thì ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng càng mạnh.

Câu hỏi 8 trang 98 Hóa học 10: Ở 20 °C, tốc độ một phản ứng là 0,05 mol/(L.min). Ở 30 °C, tốc độ phản ứng này là 0,15 mol/(L.min).

a) Hãy tính hệ số nhiệt độ Van't Hoff của phản ứng trên.

b) Dự đoán tốc độ phản ứng trên ở 40°C (giả thiết hệ số nhiệt độ γ trong khoảng nhiệt độ này không đổi).

Lời giải:

a) Hệ số nhiệt độ Van't Hoff của phản ứng là $\gamma =\frac{v_{{30}^{o}C}}{v_{{20}^{o}C}}=\frac{015}{0,05}=3$

b) Ta có: $\gamma =\frac{v_{{40}^{o}C}}{v_{{30}^{o}C}}\to v_{{40}^{o}C}=\gamma .v_{{30}^{o}C}$= 3.0,15 = 0,45 mol/(L.min)

Hoạt động trang 98 Hóa học 10: Nghiên cứu ảnh hưởng của diện tích bề mặt đến tốc độ phản ứng:

CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + CO₂ + H₂O

Chuẩn bị: 2 bình tam giác, dung dịch HCl 0,5 M, đá vôi dạng viên, đá vôi đập nhỏ.

Tiến hành:

- Cho cùng một lượng (khoảng 2 g) đá vôi dạng viên vào bình tam giác (1) và đá vôi đập nhỏ vào bình tam giác (2).

- Rót 20 mL dung dịch HCl 0,5 M vào mỗi bình.

Quan sát hiện tượng và thực hiện yêu cầu sau:

1. Phản ứng trong bình nào có tốc độ thoát khí nhanh hơn?

2. Đá vôi dạng nào có tổng diện tích bề mặt lớn hơn?

3. Nêu ảnh hưởng của diện tích bề mặt tiếp xúc đến tốc độ phản ứng.

Lời giải:

1. Phản ứng trong bình tam giác (2) chứa đá vôi đập nhỏ có tốc độ thoát khí nhanh hơn.

2. Đá vôi khi đập nhỏ có tổng diện tích bề mặt lớn hơn.

3. Khi tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, số va chạm giữa các chất đầu tăng lên, số va chạm hiệu quả cũng tăng theo, dẫn đến tốc độ phản ứng tăng.

Hoạt động trang 99 Hóa học 10: Nghiên cứu ảnh hưởng của chất xúc tác đến tốc độ phản ứng:

2H₂O₂ ⟶ 2H₂O + O₂

Chuẩn bị: 2 bình tam giác, dung dịch H₂O₂ 10%, MnO₂.

Tiến hành:

- Rót vào 2 bình tam giác, mỗi bình 20 mL dung dịch H₂O₂ 10%.

- Thêm khoảng 0,1 g xúc tác MnO₂ vào một bình và lắc đều.

Quan sát hiện tượng và thực hiện yêu cầu sau:

1. So sánh tốc độ thoát khí ở hai bình.

2. Chất xúc tác ảnh hưởng thế nào đến tốc độ phản ứng?

Lời giải:

1. Bình tam giác cho xúc tác MnO₂ có tốc độ thoát khí lớn hơn.

2. Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng nhưng nó không bị biến đổi về lượng và chất sau phản ứng.

Câu hỏi 9 trang 99 Hóa học 10: Thực hiện hai phản ứng phân huỷ H₂O₂ một phản ứng có xúc tác MnO₂, một phản ứng không xúc tác. Đo thể tích khí oxygen theo thời gian và biểu diễn trên đồ thị như hình bên:

Đường phản ứng nào trên đồ thị (Hình 19.6) tương ứng với phản ứng có xúc tác, với phản ứng không có xúc tác?

Lời giải:

Đường phản ứng (a) trên đồ thị tương ứng với phản ứng không có xúc tác.

Đường phản ứng (b) trên đồ thị tương ứng với phản ứng có xúc tác vì lượng khí oxygen thoát ra ngay từ phút đầu tiên đã nhiều hơn.

III. Một số ứng dụng của việc thay đổi tốc độ phản ứng

Câu hỏi 10 trang 100 Hóa học 10: Yếu tố nào đã được áp dụng để làm thay đổi tốc độ của các phản ứng trong Hình 19.7?

Lời giải:

Yếu tố được áp dụng để làm thay đổi tốc độ của các phản ứng trong Hình 19.7 là:

a) Đèn xì oxygen – acetylene: nồng độ (tăng nồng độ oxygen).

Đốt acetylene bằng oxygen nguyên chất cháy nhanh và cho nhiệt độ cao hơn khi đốt bằng oxygen trong không khí.

b) Tủ lạnh bảo quản thức ăn: nhiệt độ (hạ thấp nhiệt độ)

Nhiệt độ trong tủ lạnh thấp hơn nhiệt độ môi trường giúp phản ứng phân hủy thức ăn của các vi sinh vật diễn ra chậm hơn, thức ăn bảo quản được lâu hơn.

c) Bình dưa muối: chất xúc tác.(vi khuẩn lactic)

Phương pháp muối chua được thực hiện nhờ sự hoạt động của vi khuẩn lactic biến một phần đường thành axit lactic gây chua.

Câu hỏi 11 trang 100 Hóa học 10: Phản ứng tạo NO từ NH₃ là một giai đoạn trung gian trong quá trình sản xuất nitric acid:

4NH₃(g) +5O₂(g) → 4NO(g) + 6H₂O(g)

Hãy nêu một số cách để tăng tốc độ phản ứng này.

Lời giải:

Các cách để tăng tốc độ phản ứng:

- Tăng nồng độ của chất tham gia phản ứng.

- Sử dụng chất xúc tác: Platinum (Pt) ( hoặc Fe₂O₃, Cr₂O₃)

- Tăng nhiệt độ.

- Tăng áp suất của phản ứng

Chú ý: Trong phản ứng tổng hợp ammonia, ngoài yếu tố tốc độ phản ứng còn có vấn đề chuyển dịch cân bằng. Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng tăng, nhưng cân bằng lại chuyển dịch theo chiều nghịch do đây là phản ứng tỏa nhiệt. Do đó, trong kĩ thuật, cần phải kết hợp hợp lí hai yếu tố này, tức là thực hiện phản ứng ở nhiệt độ không cao lắm (khoảng 400^oC) để tốc độ phản ứng đủ nhanh và đồng thời không làm cân bằng chuyển dịch mạnh về phía chiều nghịch.

Em có thể trang 100 Hóa học 10: Giải thích được tại sao nhiều phản ứng hoá học trong công nghiệp cần tiến hành ở nhiệt độ cao và sử dụng chất xúc tác.

Lời giải:

Trong công nghiệp, cần sản xuất các sản phẩm với số lượng lớn, đảm bảo tiết kiệm tối đa về chi phí và thời gian. Tuy nhiên, có những chất tham gia cần năng lượng lớn để phá vỡ liên kết mới tham gia phản ứng được hoặc có những phản ứng phản ứng xảy ra chậm.

⇒ Cần tiến hành ở nhiệt độ cao và sử dụng chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng.