Bài học

Định luật tốc độ phản ứng đơn giản

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em viết được biểu thức tốc độ cho một phản ứng đơn giản dạng $v = k[A]^a[B]^b$ , nêu được ý nghĩa của hằng số tốc độ $k$ , và xác định đúng đơn vị của $k$ theo bậc phản ứng.

Sau bài này, em viết được biểu thức tốc độ cho một phản ứng đơn giản dạng $v = k[A]^a[B]^b$, nêu được ý nghĩa của hằng số tốc độ $k$, và xác định đúng đơn vị của $k$ theo bậc phản ứng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài này dùng lại khái niệm nồng độ mol $[A]$ (kí hiệu nồng độ đặt trong ngoặc vuông, cách viết chuẩn trong biểu thức tốc độ), tốc độ phản ứng (Chương 1), và kết luận định tính "tăng nồng độ làm tăng tốc độ" (bài 2.1) — bài học hôm nay biến kết luận định tính đó thành một công thức định lượng cụ thể.

Khởi động

Em đã biết tăng nồng độ chất phản ứng làm tăng tốc độ. Nhưng nếu tăng nồng độ gấp đôi, tốc độ tăng đúng gấp đôi, hay có thể tăng gấp bốn, gấp tám? Câu trả lời phụ thuộc vào một biểu thức toán học riêng của từng phản ứng — không có công thức chung áp dụng cho mọi phản ứng.

Kiến thức trọng tâm

Với một phản ứng đơn giản (elementary reaction — xảy ra trong một giai đoạn duy nhất, các phân tử va chạm và biến đổi trực tiếp thành sản phẩm, không qua chất trung gian), tốc độ tức thời của phản ứng $aA + bB \to$ sản phẩm được biểu diễn bằng định luật tốc độ phản ứng đơn giản:

$v = k[A]^{a}[B]^{b}$

trong đó $[A]$ , $[B]$ là nồng độ mol/L của A, B tại thời điểm xét; $a$ , $b$ chính là hệ số tỉ lượng của A, B trong phương trình đã cân bằng (chỉ đúng khi phản ứng thực sự đơn giản, một giai đoạn — chương trình lớp 10 luôn cho biết hoặc ngầm định điều kiện này); $k$ gọi là hằng số tốc độ phản ứng.

$k$ có ý nghĩa: giá trị của $k$ phụ thuộc bản chất của phản ứng, nhiệt độ, và chất xúc tác (nếu có) — nhưng không phụ thuộc nồng độ các chất phản ứng. Nói cách khác, $k$ là một hằng số đặc trưng cho một phản ứng ở một nhiệt độ xác định; khi nhiệt độ thay đổi (đúng như quy tắc Van't Hoff ở bài 3.1), giá trị $k$ cũng thay đổi theo.

Đơn vị của $k$ phụ thuộc vào bậc phản ứng tổng quát $n = a + b$ , vì tốc độ $v$ luôn có đơn vị mol/(L·s):

Nếu $n = 1$ : $k$ có đơn vị $s^{-1}$ .
Nếu $n = 2$ : $k$ có đơn vị $L \cdot mol^{-1} \cdot s^{-1}$ (hay mol⁻¹·L·s⁻¹).
Nếu $n = 3$ : $k$ có đơn vị $L^2 \cdot mol^{-2} \cdot s^{-1}$ .

Cách suy đơn vị nhanh: lấy đơn vị của $v$ (mol·L⁻¹·s⁻¹) chia cho đơn vị của $[A]^a[B]^b$ (mol $^n$ ·L $^{-n}$ ), rút gọn ra đơn vị của $k$ .

Với một **phản ứng đơn giản** (elementary reaction — xảy ra trong một giai đoạn duy nhất, các phân tử va chạm và biến đổi trực tiếp thành sản phẩm, không qua chất trung gian), tốc độ tức thời của phản ứng $aA + bB \to$ sản phẩm được biểu diễn bằng **định luật tốc độ phản ứng đơn giản**: $$v = k[A]^{a}[B]^{b}$$ trong đó $[A]$, $[B]$ là nồng độ mol/L của A, B tại thời điểm xét; $a$, $b$ chính là hệ số tỉ lượng của A, B trong phương trình đã cân bằng (**chỉ đúng khi phản ứng thực sự đơn giản, một giai đoạn** — chương trình lớp 10 luôn cho biết hoặc ngầm định điều kiện này); $k$ gọi là **hằng số tốc độ phản ứng**. $k$ có ý nghĩa: giá trị của $k$ phụ thuộc **bản chất của phản ứng, nhiệt độ, và chất xúc tác (nếu có)** — nhưng **không phụ thuộc nồng độ** các chất phản ứng. Nói cách khác, $k$ là một hằng số đặc trưng cho một phản ứng ở một nhiệt độ xác định; khi nhiệt độ thay đổi (đúng như quy tắc Van't Hoff ở bài 3.1), giá trị $k$ cũng thay đổi theo. Đơn vị của $k$ phụ thuộc vào **bậc phản ứng tổng quát** $n = a + b$, vì tốc độ $v$ luôn có đơn vị mol/(L·s): - Nếu $n = 1$: $k$ có đơn vị $s^{-1}$. - Nếu $n = 2$: $k$ có đơn vị $L \cdot mol^{-1} \cdot s^{-1}$ (hay mol⁻¹·L·s⁻¹). - Nếu $n = 3$: $k$ có đơn vị $L^2 \cdot mol^{-2} \cdot s^{-1}$. Cách suy đơn vị nhanh: lấy đơn vị của $v$ (mol·L⁻¹·s⁻¹) chia cho đơn vị của $[A]^a[B]^b$ (mol$^n$·L$^{-n}$), rút gọn ra đơn vị của $k$.

Ví dụ mẫu

Ví dụ

Viết biểu thức tốc độ và xác định đơn vị k

1
Cho phản ứng đơn giản (một giai đoạn): 2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g). Viết biểu thức tốc độ của phản ứng và xác định đơn vị của hằng số tốc độ k.
2
Vì phản ứng đơn giản, bậc riêng phần theo NO bằng hệ số tỉ lượng của NO là 2; bậc riêng phần theo O2 bằng hệ số tỉ lượng của O2 là 1.
3
$v = k[NO]^2[O_2]^1 = k[NO]^2[O_2]$ .
$v = k[NO]^2[O_2]^1 = k[NO]^2[O_2]$.
4
Bậc phản ứng tổng quát $n = 2 + 1 = 3$ . Đơn vị của $v$ là mol·L⁻¹·s⁻¹, đơn vị của $[NO]^2[O_2]$ là mol³·L⁻³. Suy ra đơn vị của $k = \dfrac{mol \cdot L^{-1} \cdot s^{-1}}{mol^3 \cdot L^{-3}} = mol^{-2} \cdot L^{2} \cdot s^{-1}$ .
Bậc phản ứng tổng quát $n = 2 + 1 = 3$. Đơn vị của $v$ là mol·L⁻¹·s⁻¹, đơn vị của $[NO]^2[O_2]$ là mol³·L⁻³. Suy ra đơn vị của $k = \dfrac{mol \cdot L^{-1} \cdot s^{-1}}{mol^3 \cdot L^{-3}} = mol^{-2} \cdot L^{2} \cdot s^{-1}$.
5
Vậy biểu thức tốc độ của phản ứng là $v = k[NO]^2[O_2]$ , với hằng số tốc độ $k$ có đơn vị $mol^{-2} \cdot L^{2} \cdot s^{-1}$ .
Vậy biểu thức tốc độ của phản ứng là $v = k[NO]^2[O_2]$, với hằng số tốc độ $k$ có đơn vị $mol^{-2} \cdot L^{2} \cdot s^{-1}$.

Ví dụ dạng thi

Ví dụ

So sánh tốc độ giữa hai thí nghiệm cùng biểu thức tốc độ

1
Cho phản ứng đơn giản A(g) + 2B(g) → C(g), biểu thức tốc độ $v = k[A][B]^2$ . Thí nghiệm 1 có $[A] = 0{,}10$ mol/L, $[B] = 0{,}20$ mol/L. Thí nghiệm 2 giữ nguyên $[A]$ nhưng tăng $[B]$ lên gấp đôi thành 0,40 mol/L. Hỏi tốc độ ở thí nghiệm 2 gấp bao nhiêu lần tốc độ ở thí nghiệm 1?
Cho phản ứng đơn giản A(g) + 2B(g) → C(g), biểu thức tốc độ $v = k[A][B]^2$. Thí nghiệm 1 có $[A] = 0{,}10$ mol/L, $[B] = 0{,}20$ mol/L. Thí nghiệm 2 giữ nguyên $[A]$ nhưng tăng $[B]$ lên gấp đôi thành 0,40 mol/L. Hỏi tốc độ ở thí nghiệm 2 gấp bao nhiêu lần tốc độ ở thí nghiệm 1?
2
Vì $k$ không đổi (cùng phản ứng, cùng nhiệt độ) và $[A]$ không đổi giữa hai thí nghiệm: $\dfrac{v_2}{v_1} = \dfrac{k[A][B]_2^2}{k[A][B]_1^2} = \left(\dfrac{[B]_2}{[B]_1}\right)^2$ .
Vì $k$ không đổi (cùng phản ứng, cùng nhiệt độ) và $[A]$ không đổi giữa hai thí nghiệm: $\dfrac{v_2}{v_1} = \dfrac{k[A][B]_2^2}{k[A][B]_1^2} = \left(\dfrac{[B]_2}{[B]_1}\right)^2$.
3
$\dfrac{[B]_2}{[B]_1} = \dfrac{0{,}40}{0{,}20} = 2$ . Suy ra $\dfrac{v_2}{v_1} = 2^2 = 4$ .
$\dfrac{[B]_2}{[B]_1} = \dfrac{0{,}40}{0{,}20} = 2$. Suy ra $\dfrac{v_2}{v_1} = 2^2 = 4$.
4
Vậy khi tăng nồng độ B lên gấp đôi (giữ nguyên nồng độ A), tốc độ phản ứng tăng gấp 4 lần — đúng theo bậc riêng phần 2 của B trong biểu thức tốc độ, không phải tăng gấp đôi như nhiều học sinh dự đoán theo cảm tính.

Sai lầm thường gặp

Lỗi phổ biến nhất là mặc định bậc riêng phần a, b LUÔN bằng hệ số tỉ lượng cho MỌI phản ứng — điều này chỉ đúng khi phản ứng thực sự đơn giản, một giai đoạn (đề bài lớp 10 luôn nêu rõ hoặc ngầm định điều kiện này). Lỗi thứ hai là nghĩ hằng số tốc độ k phụ thuộc nồng độ các chất — sai, k chỉ phụ thuộc bản chất phản ứng, nhiệt độ và xúc tác.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

Với phản ứng đơn giản $aA + bB \to$ sản phẩm, biểu thức tốc độ là $v = k[A]^a[B]^b$ , trong đó $a$ , $b$ bằng hệ số tỉ lượng. Hằng số tốc độ $k$ không phụ thuộc nồng độ, chỉ phụ thuộc bản chất phản ứng, nhiệt độ và xúc tác. Đơn vị của $k$ suy ra từ đơn vị của $v$ chia cho đơn vị của $[A]^a[B]^b$ , phụ thuộc bậc phản ứng tổng quát $n = a+b$ .

Với phản ứng đơn giản $aA + bB \to$ sản phẩm, biểu thức tốc độ là $v = k[A]^a[B]^b$, trong đó $a$, $b$ bằng hệ số tỉ lượng. Hằng số tốc độ $k$ không phụ thuộc nồng độ, chỉ phụ thuộc bản chất phản ứng, nhiệt độ và xúc tác. Đơn vị của $k$ suy ra từ đơn vị của $v$ chia cho đơn vị của $[A]^a[B]^b$, phụ thuộc bậc phản ứng tổng quát $n = a+b$.

Cầu nối bài sau

Bài tiếp theo luyện các bài toán tổng hợp: tính tốc độ khi biết k và nồng độ, hoặc tính ngược lại k khi biết tốc độ — kỹ năng cần cho các đề kiểm tra kết hợp nhiều dữ kiện.