Bài học

Tốc độ phản ứng là gì?

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phát biểu được khái niệm tốc độ phản ứng (trung bình), tính được tốc độ trung bình từ biến thiên nồng độ theo thời gian, và nêu đúng đơn vị mol/(L·s).

Kiến thức nền cần nhớ

Ở lớp 8–9 và đầu chương trình Hoá học 10 (phần dung dịch), em đã biết cách tính nồng độ mol: $C = \dfrac{n}{V}$ , với $n$ là số mol chất tan (mol) và $V$ là thể tích dung dịch (lít). Em cũng đã quen với việc đọc hệ số tỉ lượng trong một phương trình hoá học (PTHH) đã cân bằng — hai kiến thức này là công cụ chính của bài học hôm nay.

Ở lớp 8–9 và đầu chương trình Hoá học 10 (phần dung dịch), em đã biết cách tính nồng độ mol: $C = \dfrac{n}{V}$, với $n$ là số mol chất tan (mol) và $V$ là thể tích dung dịch (lít). Em cũng đã quen với việc đọc hệ số tỉ lượng trong một phương trình hoá học (PTHH) đã cân bằng — hai kiến thức này là công cụ chính của bài học hôm nay.

Khởi động

Một quả pháo hoa cháy và nổ gần như tức thời — chưa đầy một giây. Một thanh sắt để ngoài trời lại gỉ dần trong nhiều tháng, thậm chí nhiều năm. Cả hai đều là phản ứng hoá học giữa một chất với oxygen trong không khí, nhưng "nhanh" và "chậm" ở đây khác nhau đến mức nào? Muốn so sánh chính xác, hoá học cần một con số đo được, không thể chỉ nói "nhanh hơn" hay "chậm hơn" bằng cảm tính.

Kiến thức trọng tâm

Tốc độ phản ứng là đại lượng đặc trưng cho độ nhanh chậm của một phản ứng hoá học, được đo bằng độ biến thiên nồng độ của một chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian.

Xét một chất X (có thể là chất phản ứng, nồng độ giảm dần; hoặc sản phẩm, nồng độ tăng dần) trong khoảng thời gian từ $t_1$ đến $t_2$ , với nồng độ tương ứng $C_1$ và $C_2$ . Tốc độ trung bình của phản ứng theo chất X trong khoảng thời gian đó là:

$\bar{v} = \left| \dfrac{C_2 - C_1}{t_2 - t_1} \right| = \dfrac{|\Delta C|}{\Delta t}$

Dấu giá trị tuyệt đối có mặt vì tốc độ phản ứng luôn là một đại lượng dương — dù ta đang theo dõi một chất giảm dần (chất phản ứng, $\Delta C < 0$ ) hay một chất tăng dần (sản phẩm, $\Delta C > 0$ ), "độ nhanh chậm" của phản ứng không thể mang giá trị âm.

Đơn vị của tốc độ phản ứng là mol/(L·s) (đọc là mol trên lít giây, còn viết là mol·L⁻¹·s⁻¹), tức là mol chất biến đổi trong mỗi lít dung dịch, trong mỗi giây. Tuỳ đề bài, thời gian còn có thể tính theo phút hoặc giờ, khi đó đơn vị đổi tương ứng thành mol/(L·min) hoặc mol/(L·h) — luôn đọc kỹ đơn vị thời gian đề cho trước khi tính.

**Tốc độ phản ứng** là đại lượng đặc trưng cho độ nhanh chậm của một phản ứng hoá học, được đo bằng độ biến thiên nồng độ của một chất phản ứng hoặc sản phẩm trong một đơn vị thời gian. Xét một chất X (có thể là chất phản ứng, nồng độ giảm dần; hoặc sản phẩm, nồng độ tăng dần) trong khoảng thời gian từ $t_1$ đến $t_2$, với nồng độ tương ứng $C_1$ và $C_2$. **Tốc độ trung bình** của phản ứng theo chất X trong khoảng thời gian đó là: $$\bar{v} = \left| \dfrac{C_2 - C_1}{t_2 - t_1} \right| = \dfrac{|\Delta C|}{\Delta t}$$ Dấu giá trị tuyệt đối có mặt vì tốc độ phản ứng luôn là một đại lượng dương — dù ta đang theo dõi một chất giảm dần (chất phản ứng, $\Delta C < 0$) hay một chất tăng dần (sản phẩm, $\Delta C > 0$), "độ nhanh chậm" của phản ứng không thể mang giá trị âm. Đơn vị của tốc độ phản ứng là **mol/(L·s)** (đọc là mol trên lít giây, còn viết là mol·L⁻¹·s⁻¹), tức là mol chất biến đổi trong mỗi lít dung dịch, trong mỗi giây. Tuỳ đề bài, thời gian còn có thể tính theo phút hoặc giờ, khi đó đơn vị đổi tương ứng thành mol/(L·min) hoặc mol/(L·h) — luôn đọc kỹ đơn vị thời gian đề cho trước khi tính.

Nồng độ HCl giảm dần khi phản ứng Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2 tiến triển — dữ liệu thô dùng để tính tốc độ trung bình.

Với một phản ứng tổng quát dạng $aA + bB \to cC + dD$ , tốc độ đo theo mỗi chất khác nhau về giá trị số (vì hệ số tỉ lượng khác nhau), nhưng chúng liên hệ với nhau qua chính các hệ số đó:

$v = \dfrac{1}{a}\dfrac{|\Delta C_A|}{\Delta t} = \dfrac{1}{b}\dfrac{|\Delta C_B|}{\Delta t} = \dfrac{1}{c}\dfrac{|\Delta C_C|}{\Delta t} = \dfrac{1}{d}\dfrac{|\Delta C_D|}{\Delta t}$

Gọi $v$ (không ghi chỉ số chất) là tốc độ chung của phản ứng — một con số duy nhất đại diện cho cả phản ứng, không phụ thuộc việc ta theo dõi chất nào. Ý nghĩa của công thức: chất nào có hệ số tỉ lượng lớn hơn thì biến đổi nồng độ nhanh hơn theo đúng tỉ lệ đó, chứ tốc độ chung của phản ứng thì chỉ có một giá trị.

Với một phản ứng tổng quát dạng $aA + bB \to cC + dD$, tốc độ đo theo mỗi chất khác nhau về giá trị số (vì hệ số tỉ lượng khác nhau), nhưng chúng liên hệ với nhau qua chính các hệ số đó: $$v = \dfrac{1}{a}\dfrac{|\Delta C_A|}{\Delta t} = \dfrac{1}{b}\dfrac{|\Delta C_B|}{\Delta t} = \dfrac{1}{c}\dfrac{|\Delta C_C|}{\Delta t} = \dfrac{1}{d}\dfrac{|\Delta C_D|}{\Delta t}$$ Gọi $v$ (không ghi chỉ số chất) là **tốc độ chung của phản ứng** — một con số duy nhất đại diện cho cả phản ứng, không phụ thuộc việc ta theo dõi chất nào. Ý nghĩa của công thức: chất nào có hệ số tỉ lượng lớn hơn thì biến đổi nồng độ nhanh hơn theo đúng tỉ lệ đó, chứ tốc độ chung của phản ứng thì chỉ có một giá trị.

Ví dụ mẫu

Ví dụ

Tính tốc độ trung bình của phản ứng theo HCl

1
Cho phản ứng Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g). Tại thời điểm bắt đầu đo ( $t_1 = 0$ s), nồng độ HCl là 1,00 mol/L. Sau 50 giây ( $t_2 = 50$ s), nồng độ HCl còn lại là 0,80 mol/L. Tính tốc độ trung bình của phản ứng theo HCl trong khoảng thời gian này.
Cho phản ứng Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g). Tại thời điểm bắt đầu đo ($t_1 = 0$ s), nồng độ HCl là 1,00 mol/L. Sau 50 giây ($t_2 = 50$ s), nồng độ HCl còn lại là 0,80 mol/L. Tính tốc độ trung bình của phản ứng theo HCl trong khoảng thời gian này.
2
Ta có $C_1 = 1{,}00$ mol/L tại $t_1 = 0$ s và $C_2 = 0{,}80$ mol/L tại $t_2 = 50$ s. Đây là nồng độ chất phản ứng nên $C$ giảm dần theo thời gian, $\Delta C = C_2 - C_1 = -0{,}20$ mol/L.
Ta có $C_1 = 1{,}00$ mol/L tại $t_1 = 0$ s và $C_2 = 0{,}80$ mol/L tại $t_2 = 50$ s. Đây là nồng độ chất phản ứng nên $C$ giảm dần theo thời gian, $\Delta C = C_2 - C_1 = -0{,}20$ mol/L.
3
Theo công thức tốc độ trung bình: $\bar{v}_{HCl} = \left| \dfrac{\Delta C}{\Delta t} \right| = \dfrac{0{,}20}{50} = 0{,}004$ mol/(L·s). Do hệ số của HCl trong PTHH là 2, tốc độ chung của phản ứng là $v = \dfrac{\bar{v}_{HCl}}{2} = 0{,}002$ mol/(L·s).
Theo công thức tốc độ trung bình: $\bar{v}_{HCl} = \left| \dfrac{\Delta C}{\Delta t} \right| = \dfrac{0{,}20}{50} = 0{,}004$ mol/(L·s). Do hệ số của HCl trong PTHH là 2, tốc độ chung của phản ứng là $v = \dfrac{\bar{v}_{HCl}}{2} = 0{,}002$ mol/(L·s).
4
Vậy tốc độ trung bình của phản ứng theo HCl trong 50 giây đầu là 0,004 mol/(L·s), tương ứng tốc độ chung của phản ứng là 0,002 mol/(L·s).

Ví dụ dạng thi

Ví dụ

Suy ra tốc độ theo một chất khác từ hệ số tỉ lượng

1
Cho phản ứng phân huỷ: 2N2O5(g) → 4NO2(g) + O2(g). Thực nghiệm cho biết trong 100 giây đầu, nồng độ N2O5 giảm từ 0,500 mol/L xuống còn 0,400 mol/L. Tính tốc độ trung bình của phản ứng theo N2O5, sau đó suy ra tốc độ trung bình theo O2 sinh ra trong cùng khoảng thời gian.
2
Ta có $\Delta C_{N_2O_5} = 0{,}500 - 0{,}400 = 0{,}100$ mol/L trong $\Delta t = 100$ s. Suy ra $\bar{v}_{N_2O_5} = \dfrac{0{,}100}{100} = 0{,}0010$ mol/(L·s). (1)
Ta có $\Delta C_{N_2O_5} = 0{,}500 - 0{,}400 = 0{,}100$ mol/L trong $\Delta t = 100$ s. Suy ra $\bar{v}_{N_2O_5} = \dfrac{0{,}100}{100} = 0{,}0010$ mol/(L·s). (1)
3
Theo PTHH, hệ số của N2O5 là 2 và hệ số của O2 là 1. Áp dụng công thức liên hệ tốc độ giữa các chất: $\dfrac{\bar{v}_{N_2O_5}}{2} = \dfrac{\bar{v}_{O_2}}{1}$ . (2)
Theo PTHH, hệ số của N2O5 là 2 và hệ số của O2 là 1. Áp dụng công thức liên hệ tốc độ giữa các chất: $\dfrac{\bar{v}_{N_2O_5}}{2} = \dfrac{\bar{v}_{O_2}}{1}$. (2)
4
Từ (1) và (2), $\bar{v}_{O_2} = \dfrac{\bar{v}_{N_2O_5}}{2} = \dfrac{0{,}0010}{2} = 0{,}00050$ mol/(L·s).
Từ (1) và (2), $\bar{v}_{O_2} = \dfrac{\bar{v}_{N_2O_5}}{2} = \dfrac{0{,}0010}{2} = 0{,}00050$ mol/(L·s).
5
Vậy tốc độ trung bình của phản ứng theo O2 sinh ra trong 100 giây đầu là 0,00050 mol/(L·s) — bằng đúng một nửa tốc độ theo N2O5, đúng theo tỉ lệ hệ số 2 : 1 trong phương trình.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh tính tốc độ theo một chất rồi coi luôn đó là tốc độ theo chất khác trong cùng phản ứng — quên rằng phải chia (hoặc nhân) theo đúng tỉ lệ hệ số tỉ lượng của PTHH đã cân bằng. Một lỗi khác là quên đổi đơn vị thời gian khi đề cho bằng phút nhưng đáp án yêu cầu theo giây, hoặc bỏ sót dấu giá trị tuyệt đối rồi ra kết quả âm — tốc độ phản ứng không bao giờ âm.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Điều cần ghi nhớ

Tốc độ phản ứng trung bình là tỉ số giữa biến thiên nồng độ (lấy trị tuyệt đối) của một chất và biến thiên thời gian, đơn vị mol/(L·s). Với một phản ứng có nhiều chất, tốc độ theo từng chất liên hệ với nhau qua hệ số tỉ lượng trong PTHH đã cân bằng — chất có hệ số lớn hơn biến đổi nồng độ nhanh hơn theo đúng tỉ lệ đó.

Cầu nối bài sau

Bài tiếp theo luyện đọc một bảng số liệu thực nghiệm nhiều mốc thời gian, chọn đúng khoảng cần tính, và nhận ra vì sao tốc độ trung bình đo được thường thay đổi theo từng khoảng thời gian khác nhau.