Phản ứng phức tạp phương pháp nghiên cứu tốc độ phản ứng

1. Chương 4: Phản ứng phức tạp phương pháp nghiên cứu tốc độ phản ứng (3 tiết)

2. NỘI DUNG 4.1. Phản ứng phức tạp 4.1.1. Phản ứng thuận nghịch 4.1.2. Phản ứng song song 4.1.3. Phản ứng nối tiếp 4.2. Phương pháp nghiên cứu tốc độ phản ứng 4.2.1. Phương pháp nghiên cứu hằng số tốc độ phản ứng 4.2.2. Phương pháp xác định bậc phản ứng 4.2.3. Bài tập

3. 4.1. Phản ứng phức tạp

4. 4.1. Phản ứng thuận nghịch (*) B A Phản ứng thuận nghịch bậc nhất là hai trường hợp cả hai phản ứng thuận và nghịch đều bậc nhất: với hằng số k và k’ tương ứng. Tốc độ phản ứng: Nếu gọi x là độ giảm của nồng độ chất A và cũng chính là độ tăng nồng độ chất B, thì nồng độ các chất tại thời điểm t là: Phương trình (*) được viết lại dưới dạng sau: Nó cho phép tính được tổng (k + k’) nếu biết nồng độ các chất A, B ứng với trạng thái đầu, cân bằng và theo thời gian, kế đến có thể tính k và k’ nếu dựa vào phương trình.

5. (1) (2) (3) 4.2. Phản ứng song song bậc 1 Xét trường hợp phản ứng bậc nhất đơn phân tử xảy ra theo sơ đồ: trong đó chất A phản ứng theo 2 hướng khác nhau với hằng số tốc độ kvà k’ tương ứng. Theo sơ đồ trên ta có thể viết:

6. 4.2. Phản ứng song song bậc nhất (4) Lấy tích phân phương trình (3) từ khi t = 0 : (5) (6) hay (7) C0A = CA + CB + CC Chia (2) cho (1): Lấy tích phân ứng với điều kiện khi t = 0 thu được: Theo điều kiện cân bằng vật chất có:

7. Xác định (k + k’) theo phương trình (5) và theo phương trình (4), từ đó có thể suy ra giá trị riêng biệt k và k’. 4.2. Phản ứng song song bậc nhất Từ phương trình (4), (6) và (7) chúng ta có thể tìm được sự phụ thuộc của nồng độ các chất theo thời gian.

8. 4.3. Phản ứng nối tiếp Phản ứng nối tiếp là phản ứng tạo sản phẩm cuối không phải trực tiếp từ chất tham gia phản ứng đầu mà phải qua các giai đoạn tạo ra một số sản phẩm trung gian không bền. Khảo sát trường hợp đơn giản nhất của phản ứng nối tiếp bao gồm 2 giai đoạn bậc nhất biểu diễn bởi sơ đồ: trong đó hợp chất trung gian B hình thành trong giai đoạn một với hằng số tốc k và tiêu hao trong giai đoạn hai với hằng số tốc độ k’. Giả thiết ở thời điểm t = 0, nồng độ của chất A là C0A, còn CB = CC = 0. Theo điều kiện cân bằng vật chất, ở mọi thời điểm luôn có hệ thức: C0A = CA + CB + CC

9. (1) (2) (3) 4.3. Phản ứng nối tiếp Từ sơ đồ phản ứng trên ta có thể viết: Phương trình (1) là phương trình tốc độ phản ứng bậc nhất, do đó ta có thể viết: Thay nó vào phương trình (2) (4) Phương trình (4) là phương trình vi phân tuyến tính, giải phương trình ta được nghiệm:

10. Nồng độ chất C là:

11. 4.2. Phương pháp nghiên cứu tốc độ phản ứng 4.2.1. PP nghiên cứu hằng số tốc độ phản ứng 4.2.1.1. Phương pháp vi phân Nhờ phương pháp cô lập để giảm bậc phản ứng nên phương trình động học có thể đưa về dạng đơn giản:  là bậc của chất phản ứng có mặt với nồng độ rất nhỏ hay có thể là bậc chung của phản ứng.

12. 4.2.1.2. PP tích phân hay phương pháp thế Xem xét các hằng số tốc độ phản ứng tương ứng với số lượng lớn các điểm thực nghiệm. Trong trường hợp ki hằng số thì phương trình của bậc phản ứng được chọn đó là thích hợp.

13. 4.2.2. Phương pháp xác định bậc phản ứng 4.2.2.1. Đo tốc độ phản ứng - Đo áp suất, nếu trong hệ có sự biến đổi số phần tử trong quá trình phản ứng - Đo thể tích, nếu phản ứng trong pha lỏng có thể tạo ra một khí nào đó, dựa theo sự biến đổi thể tích của khí thoát ra có thể xác định được tốc độ phản ứng. - Đo sự quay cực quang học, nếu trong phản ứng có sự tham gia của chất hoạt động quang học.

14. 4.2.2.2. Xác định bậc phản ứng Để đơn giản hóa trong việc phân tích phương trình động học người ta sử dụng phương pháp cô lập hay có tác giả gọi là phương pháp xác định “bậc phản ứng giả”, “bậc biểu kiến”. Khi CB lớn, thì thực tế nồng độ của nó biến đổi không đáng kể trong phản ứng: CB C0B và có thể gộp CB.k’ = k.

15. 4.2.2.3. Phương pháp thời gian chuyển hóa 1/q phần của chất phản ứng Phương trình động học có dạng Tại thời điểm t1/q đã chuyển hóa được 1/q phần chất phản ứng (q > 1), tức là: Thông thường theo phương pháp này sử dụng chu kỳ bán hủy t1/2 tức là

16. 4.2.3. Bài tập