Bài học

Ảnh hưởng của nhiệt độ — Quy tắc Van't Hoff

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em giải thích được bằng thuyết va chạm vì sao tăng nhiệt độ làm tăng tốc độ phản ứng, và vận dụng quy tắc kinh nghiệm Van't Hoff $\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{(t_2-t_1)/10}$ để tính tốc độ hoặc thời gian phản ứng khi nhiệt độ thay đổi.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài học dùng lại thuyết va chạm (Bài 2.1): phản ứng chỉ xảy ra khi có va chạm hiệu quả, tức va chạm có năng lượng đủ lớn để vượt qua năng lượng hoạt hoá ( $E_a$ ) của phản ứng. Ở Course 6 (Năng lượng hoá học), em đã biết mỗi phản ứng có một "hàng rào năng lượng" phải vượt qua trước khi tạo sản phẩm — năng lượng hoạt hoá chính là chiều cao của hàng rào đó, một khái niệm mới được nêu cụ thể ở bài này.

Bài học dùng lại thuyết va chạm (Bài 2.1): phản ứng chỉ xảy ra khi có va chạm hiệu quả, tức va chạm có năng lượng đủ lớn để vượt qua **năng lượng hoạt hoá** ($E_a$) của phản ứng. Ở Course 6 (Năng lượng hoá học), em đã biết mỗi phản ứng có một "hàng rào năng lượng" phải vượt qua trước khi tạo sản phẩm — năng lượng hoạt hoá chính là chiều cao của hàng rào đó, một khái niệm mới được nêu cụ thể ở bài này.

Khởi động

Thịt để trong tủ lạnh giữ được tươi nhiều ngày, nhưng để ở nhiệt độ phòng mùa hè chỉ sau vài giờ đã có mùi ôi. Cùng là các phản ứng phân huỷ, tại sao nhiệt độ lại tạo ra khác biệt lớn đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Thực nghiệm với nhiều phản ứng cho thấy một quy luật gần đúng, gọi là quy tắc Van't Hoff: khi nhiệt độ tăng thêm 10 °C, tốc độ phản ứng thường tăng từ 2 đến 4 lần. Gọi $\gamma$ (hệ số nhiệt độ, $2 \le \gamma \le 4$ tuỳ từng phản ứng, đề bài luôn cho giá trị cụ thể) là số lần tốc độ tăng khi nhiệt độ tăng thêm 10 °C. Với nhiệt độ tăng từ $t_1$ lên $t_2$ , tỉ số tốc độ được tính:

$\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{t_2-t_1}{10}}$

Cần lưu ý: đây là quy tắc kinh nghiệm gần đúng, áp dụng tốt cho nhiều phản ứng trong khoảng nhiệt độ vừa phải, không phải một định luật chính xác tuyệt đối cho mọi phản ứng ở mọi nhiệt độ.

Khi nhiệt độ tăng, các phân tử chuyển động nhanh hơn (động năng trung bình tăng), nên va chạm giữa chúng xảy ra thường xuyên hơn — nhưng đó không phải là lý do chính khiến tốc độ phản ứng tăng mạnh. Điều quan trọng hơn là: nhiệt độ càng cao, **tỉ lệ phần trăm số va chạm có năng lượng đủ lớn để vượt qua năng lượng hoạt hoá $E_a$ (tức va chạm hiệu quả) càng lớn**. Vì vậy, chỉ cần tăng nhiệt độ một lượng vừa phải, số va chạm hiệu quả trong một đơn vị thời gian có thể tăng rất nhanh, kéo theo tốc độ phản ứng tăng mạnh — mạnh hơn hẳn so với ảnh hưởng của nồng độ hay diện tích bề mặt ở cùng mức thay đổi tương đối. Thực nghiệm với nhiều phản ứng cho thấy một quy luật gần đúng, gọi là **quy tắc Van't Hoff**: khi nhiệt độ tăng thêm 10 °C, tốc độ phản ứng thường tăng từ 2 đến 4 lần. Gọi $\gamma$ (hệ số nhiệt độ, $2 \le \gamma \le 4$ tuỳ từng phản ứng, đề bài luôn cho giá trị cụ thể) là số lần tốc độ tăng khi nhiệt độ tăng thêm 10 °C. Với nhiệt độ tăng từ $t_1$ lên $t_2$, tỉ số tốc độ được tính: $$\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{t_2-t_1}{10}}$$ Cần lưu ý: đây là **quy tắc kinh nghiệm gần đúng**, áp dụng tốt cho nhiều phản ứng trong khoảng nhiệt độ vừa phải, không phải một định luật chính xác tuyệt đối cho mọi phản ứng ở mọi nhiệt độ.

Ví dụ mẫu

Ví dụ

Áp dụng quy tắc Van't Hoff với γ = 2

1
Một phản ứng có hệ số nhiệt độ $\gamma = 2$ . Nếu nhiệt độ phản ứng tăng thêm 20 °C, tốc độ phản ứng tăng bao nhiêu lần so với ban đầu?
Một phản ứng có hệ số nhiệt độ $\gamma = 2$. Nếu nhiệt độ phản ứng tăng thêm 20 °C, tốc độ phản ứng tăng bao nhiêu lần so với ban đầu?
2
Ta có $\gamma = 2$ và $t_2 - t_1 = 20$ °C.
Ta có $\gamma = 2$ và $t_2 - t_1 = 20$ °C.
3
$\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{t_2-t_1}{10}} = 2^{\frac{20}{10}} = 2^2 = 4$ .
$\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{t_2-t_1}{10}} = 2^{\frac{20}{10}} = 2^2 = 4$.
4
Vậy khi nhiệt độ tăng thêm 20 °C, tốc độ phản ứng tăng gấp 4 lần so với ban đầu.

Ví dụ dạng thi

Ví dụ

Tính thời gian phản ứng khi nhiệt độ thay đổi

1
Ở 30 °C, một phản ứng hoàn thành trong 32 phút. Hệ số nhiệt độ của phản ứng là $\gamma = 2$ . Hỏi nếu thực hiện phản ứng ở 60 °C thì cần bao nhiêu phút để hoàn thành, với giả thiết lượng chất phản ứng ban đầu như nhau?
Ở 30 °C, một phản ứng hoàn thành trong 32 phút. Hệ số nhiệt độ của phản ứng là $\gamma = 2$. Hỏi nếu thực hiện phản ứng ở 60 °C thì cần bao nhiêu phút để hoàn thành, với giả thiết lượng chất phản ứng ban đầu như nhau?
2
Ta có $t_2 - t_1 = 60 - 30 = 30$ °C. Theo quy tắc Van't Hoff: $\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{30}{10}} = 2^3 = 8$ . (1)
Ta có $t_2 - t_1 = 60 - 30 = 30$ °C. Theo quy tắc Van't Hoff: $\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{30}{10}} = 2^3 = 8$. (1)
3
Với cùng một lượng chất phản ứng ban đầu, thời gian để hoàn thành phản ứng tỉ lệ nghịch với tốc độ phản ứng: tốc độ càng lớn, thời gian hoàn thành càng ngắn. Do đó $\dfrac{\tau_2}{\tau_1} = \dfrac{v_1}{v_2} = \dfrac{1}{8}$ . (2)
Với cùng một lượng chất phản ứng ban đầu, thời gian để hoàn thành phản ứng tỉ lệ **nghịch** với tốc độ phản ứng: tốc độ càng lớn, thời gian hoàn thành càng ngắn. Do đó $\dfrac{\tau_2}{\tau_1} = \dfrac{v_1}{v_2} = \dfrac{1}{8}$. (2)
4
Từ (1) và (2): $\tau_2 = \dfrac{\tau_1}{8} = \dfrac{32}{8} = 4$ phút.
Từ (1) và (2): $\tau_2 = \dfrac{\tau_1}{8} = \dfrac{32}{8} = 4$ phút.
5
Vậy ở 60 °C, phản ứng chỉ cần 4 phút để hoàn thành, thay vì 32 phút như ở 30 °C — nhiệt độ tăng 30 °C làm phản ứng nhanh hơn 8 lần.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh nhầm quy tắc Van't Hoff là một định luật chính xác tuyệt đối áp dụng được cho mọi phản ứng — thực ra đây chỉ là quy tắc kinh nghiệm gần đúng, và giá trị $\gamma$ luôn do đề bài cho trước, không tự suy ra được. Một lỗi khác là nhầm lẫn giữa tốc độ và thời gian phản ứng: khi tốc độ tăng $n$ lần, thời gian hoàn thành giảm đi $n$ lần (tỉ lệ nghịch), chứ không phải cũng tăng $n$ lần.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

Tăng nhiệt độ làm tăng tỉ lệ va chạm hiệu quả (đủ năng lượng vượt qua năng lượng hoạt hoá $E_a$ ), nên tốc độ phản ứng tăng mạnh. Quy tắc kinh nghiệm Van't Hoff: $\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{(t_2-t_1)/10}$ , với $\gamma$ thường trong khoảng 2 đến 4, do đề bài cho trước. Thời gian hoàn thành phản ứng tỉ lệ nghịch với tốc độ.

Tăng nhiệt độ làm tăng tỉ lệ va chạm hiệu quả (đủ năng lượng vượt qua năng lượng hoạt hoá $E_a$), nên tốc độ phản ứng tăng mạnh. Quy tắc kinh nghiệm Van't Hoff: $\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{(t_2-t_1)/10}$, với $\gamma$ thường trong khoảng 2 đến 4, do đề bài cho trước. Thời gian hoàn thành phản ứng tỉ lệ nghịch với tốc độ.

Cầu nối bài sau

Bài tiếp theo học cách tăng tốc độ phản ứng mà KHÔNG cần tăng nhiệt độ hay nồng độ — bằng một chất đặc biệt gọi là chất xúc tác.