Giáo án Bài 19. Tốc độ phản ứng

HS nhận biết tốc độ phản ứng được đo bằng lượng biến đổi theo thời gian và nêu được câu hỏi cần giải quyết trong bài.

GV chiếu mô phỏng 3D trên NeoEdu: rót $\mathrm{H_2SO_4}$ vào $\mathrm{Na_2S_2O_3}$ đặt trên tờ giấy kẻ chữ X rồi bấm giờ. HS quan sát và trả lời các câu hỏi: Sau bao lâu thì không còn nhìn thấy chữ X? Điều gì có thể làm chữ mất nhanh hơn? Vì sao cần đo thời gian để so sánh các phản ứng?

HS ghi được: ở 20 °C, sau khoảng 80 s chữ X không còn nhìn thấy do lưu huỳnh tạo thành làm dung dịch đục dần. HS dự đoán sơ bộ các yếu tố có thể làm nhanh phản ứng (nồng độ, nhiệt độ) và nhận ra cần một đại lượng đo mức biến đổi theo thời gian, tức là tốc độ phản ứng.

HS nêu được khái niệm tốc độ trung bình, tính được tốc độ mất của chất đầu và tốc độ phản ứng có hệ số tỉ lượng, viết được biểu thức tốc độ cho mô hình đơn giản.

Nhóm 4 người hoàn thành Phiếu học tập số 1 dựa trên ví dụ phản ứng $2\mathrm{A} \rightarrow \mathrm{B}$, nồng độ $[\mathrm{A}]$ giảm từ 0,50 xuống 0,30 mol/L trong 10 s. Nhiệm vụ: (1) tính tốc độ mất A; (2) tính tốc độ phản ứng trung bình và giải thích vì sao phải chia cho hệ số 2; (3) viết công thức tổng quát cho $a\mathrm{A} + b\mathrm{B} \rightarrow c\mathrm{C} + d\mathrm{D}$ và giải thích dấu trừ; (4) với mô hình $v = k[\mathrm{A}]^2[\mathrm{B}]$, nêu ý nghĩa của $k$ và cho biết đơn vị của $k$ phụ thuộc vào điều gì.

(1) Tốc độ mất A: $\frac{-\Delta[\mathrm{A}]}{\Delta t} = \frac{0{,}50-0{,}30}{10} = 0{,}020$ mol/(L·s).
(2) Tốc độ phản ứng trung bình: $\bar{v} = -\frac{1}{2}\frac{\Delta[\mathrm{A}]}{\Delta t} = \frac{0{,}20}{2 \times 10} = 0{,}010$ mol/(L·s). Chia cho hệ số 2 vì A bị tiêu thụ nhanh gấp 2 lần so với mức độ hình thành của B theo phương trình.
(3) $\bar{v} = -\frac{1}{a}\frac{\Delta C_A}{\Delta t} = -\frac{1}{b}\frac{\Delta C_B}{\Delta t} = \frac{1}{c}\frac{\Delta C_C}{\Delta t} = \frac{1}{d}\frac{\Delta C_D}{\Delta t}$; dấu trừ giúp tốc độ có giá trị dương khi nồng độ chất đầu giảm.
(4) $v = k\,[\mathrm{A}]^2[\mathrm{B}]$: $k$ là hệ số tỉ lệ trong phương trình tốc độ đã chọn; $k$ phụ thuộc nhiệt độ và xúc tác; đơn vị của $k$ phụ thuộc tổng số mũ nồng độ, không luôn là s⁻¹.
Kiến thức HS rút ra: tốc độ trung bình được tính từ biến thiên nồng độ và chia cho hệ số tỉ lượng; không nhầm tốc độ mất của một chất với tốc độ phản ứng.

HS giải thích được ảnh hưởng của nồng độ, nhiệt độ và áp suất tới tốc độ phản ứng dựa trên va chạm hiệu quả và năng lượng hoạt hoá; vận dụng được quy tắc Van't Hoff với $\gamma = 2$.

Nhóm sử dụng mô phỏng NeoEdu (bình $\mathrm{Na_2S_2O_3}$ + $\mathrm{H_2SO_4}$, bể ổn nhiệt) và ghi kết quả vào Phiếu học tập số 2: (1) so sánh thời gian chữ X mất khi nồng độ $\mathrm{Na_2S_2O_3}$ ở mức ban đầu và khi tăng lên 0,30 M; giải thích bằng số va chạm hiệu quả; (2) quan sát thời gian ở bể 30 °C và 60 °C, tính tỉ số tốc độ theo quy tắc Van't Hoff với $\gamma = 2$; (3) nêu ảnh hưởng của áp suất và điều kiện áp dụng.

(1) Khi nồng độ $\mathrm{Na_2S_2O_3}$ tăng lên 0,30 M, chữ mất sau khoảng 27 s, nhanh hơn rõ rệt so với nồng độ ban đầu. Giải thích: nồng độ tăng làm số va chạm trong một đơn vị thời gian tăng, số va chạm hiệu quả (đủ năng lượng hoạt hoá và định hướng phù hợp) tăng, nên tốc độ tăng.
(2) Ở 30 °C thời gian còn một nửa so với 20 °C: $\frac{v_{30}}{v_{20}} = 2^{\frac{30-20}{10}} = 2$. Ở 60 °C: $\frac{v_{60}}{v_{20}} = 2^{\frac{60-20}{10}} = 2^4 = 16$, tốc độ nhanh 16 lần. Quy tắc chỉ dùng trong khoảng nhiệt đã cho, là giá trị gần đúng.
(3) Tăng áp suất làm tăng nồng độ chất khí, do đó tăng tốc độ phản ứng có chất khí tham gia; không áp dụng cho phản ứng không có chất khí.
Kiến thức HS rút ra: nồng độ, nhiệt độ, áp suất ảnh hưởng tới tốc độ thông qua số va chạm hiệu quả; nhiệt độ tăng làm nhiều phân tử đạt năng lượng hoạt hoá hơn.

HS giải thích được ảnh hưởng của diện tích bề mặt và chất xúc tác tới tốc độ phản ứng; tiến hành được thí nghiệm so sánh có kiểm soát biến và ghi số liệu trung thực.

Thí nghiệm 1 (HS thực hành theo nhóm, dưới hướng dẫn của GV): cho cùng khối lượng đá vôi dạng viên và dạng đã đập nhỏ tác dụng với dung dịch $\mathrm{HCl}$ loãng cùng thể tích, cùng nồng độ, cùng nhiệt độ; đo thể tích $\mathrm{CO_2}$ thoát ra trong 30 s. Thí nghiệm 2 (GV biểu diễn, HS quan sát phòng thí nghiệm ảo NeoEdu): so sánh tốc độ phân huỷ $\mathrm{H_2O_2}$ khi có và không có $\mathrm{MnO_2}$ trong 10 s. HS hoàn thành Phiếu học tập số 2 (phần thí nghiệm) và ghi kết luận.

Số liệu minh hoạ (giả định, không phải kết quả đo thực tế): trong 30 s, đá vôi hạt lớn cho 12 mL $\mathrm{CO_2}$, đá vôi hạt nhỏ cho 24 mL; tốc độ tạo khí trung bình theo thể tích gấp 2 lần ở cùng điều kiện. Kết luận: diện tích tiếp xúc càng lớn, va chạm càng nhiều, tốc độ càng lớn. Không suy ra tổng lượng khí cuối cùng gấp 2.
Số liệu minh hoạ (giả định): trong 10 s, không có xúc tác cho 2 mL $\mathrm{O_2}$, có $\mathrm{MnO_2}$ cho 10 mL $\mathrm{O_2}$; tốc độ trung bình trong khoảng đo cao gấp 5 lần. Kết luận: chất xúc tác tạo đường phản ứng có năng lượng hoạt hoá thấp hơn, làm tăng tốc độ; không tiêu hao theo phương trình tổng nhưng có thể mất hoạt tính do nhiễm độc hoặc hỏng.
Kiến thức HS rút ra: muốn so sánh ảnh hưởng của một yếu tố phải giữ các yếu tố khác không đổi.

HS vận dụng công thức tốc độ trung bình, biểu thức tốc độ, quy tắc Van't Hoff và hiểu vai trò của xúc tác để giải bài tập định lượng và khái niệm.

HS làm theo cặp đôi, sau đó đổi chéo kiểm tra:

1. Với $2\mathrm{A} \rightarrow \mathrm{B}$, $[\mathrm{A}]$ giảm 0,50 xuống 0,30 mol/L trong 10 s. Tốc độ mất A theo mol/(L·s) bằng bao nhiêu?
2. Cũng dữ liệu đó, tốc độ phản ứng trung bình theo mol/(L·s) bằng bao nhiêu?
3. Mô hình $v = k[\mathrm{A}]^2[\mathrm{B}]$, giữ T và $[\mathrm{B}]$, tăng $[\mathrm{A}]$ lên 2 lần. Tốc độ tăng mấy lần?
4. Trong khoảng cho $\gamma = 2$, tăng nhiệt độ từ 20 °C lên 40 °C. Tốc độ tăng mấy lần?
5. Vai trò đúng của chất xúc tác trong mô hình một phản ứng là: A. Làm $\Delta H$ của cùng trạng thái đầu và cuối âm hơn; B. Tạo đường phản ứng có năng lượng hoạt hoá thấp hơn; C. Bị tiêu hao hoàn toàn như một chất đầu; D. Chỉ làm tăng nhiệt độ mà không đổi đường phản ứng.

Đáp án:

1. 0,020 mol/(L·s), vì $\frac{0{,}50-0{,}30}{10} = 0{,}020$; đây là tốc độ mất A, chưa chia hệ số 2.
2. 0,010 mol/(L·s), vì $-\frac{\Delta[\mathrm{A}]}{2\Delta t} = \frac{0{,}20}{2 \times 10} = 0{,}010$.
3. 4 lần, vì tỉ số $\frac{(2[\mathrm{A}])^2}{[\mathrm{A}]^2} = 4$.
4. 4 lần, vì $2^{\frac{40-20}{10}} = 2^2 = 4$.
5. Đáp án B. Xúc tác thay đổi đường phản ứng, làm giảm năng lượng hoạt hoá, không thay đổi $\Delta H$ của cùng trạng thái đầu và cuối.

HS vận dụng các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ phản ứng để giải thích và đề xuất biện pháp trong tình huống thực tế.

Nhóm 4 người hoàn thành Phiếu học tập số 3 với bốn tình huống: (a) vì sao thực phẩm để trong tủ lạnh hỏng chậm hơn; (b) vì sao nồi áp suất giúp rút ngắn thời gian nấu; (c) vì sao nghiền nhỏ nguyên liệu làm phản ứng nhanh hơn; (d) vì sao bộ chuyển đổi xúc tác trên ô tô giúp giảm khí thải độc hại mà không bị tiêu hao theo phương trình. Mỗi nhóm chọn một tình huống, nêu yếu tố ảnh hưởng, giải thích bằng va chạm hiệu quả hoặc năng lượng hoạt hoá và đề xuất một lưu ý an toàn hoặc hạn chế.

(a) Nhiệt độ thấp làm giảm số phân tử đạt năng lượng hoạt hoá nên tốc độ phản ứng gây hỏng chậm lại; dùng tủ lạnh để bảo quản, không thay thế vệ sinh và kiểm soát vi sinh.
(b) Nồi áp suất làm nhiệt độ sôi của nước tăng nên thực phẩm chín nhanh hơn; người dùng cần tuân thủ hướng dẫn an toàn của nhà sản xuất khi áp suất cao.
(c) Nghiền nhỏ làm tăng diện tích tiếp xúc, tăng số va chạm giữa các chất, tốc độ tăng; lưu ý nguyên liệu cần được vệ sinh đúng cách.
(d) Chất xúc tác trong bộ chuyển đổi tạo đường phản ứng có năng lượng hoạt hoá thấp hơn, chuyển hoá khí độc thành khí ít độc hơn; xúc tác được tái sinh nhưng có thể mất hoạt tính do nhiễm độc, nên cần thay định kì.
Kiến thức HS rút ra: nhiều hiện tượng hằng ngày và trong công nghiệp được giải thích bằng nồng độ, nhiệt độ, diện tích bề mặt, xúc tác.