Tốc độ phản ứng và các yếu tố ảnh hưởng

Cho cùng khối lượng Zn vào cùng thể tích dung dịch HCl $1\ \text{M}$. Bốn thí nghiệm: (a) Zn miếng, $25\ ^\circ\mathrm{C}$; (b) Zn bột, $25\ ^\circ\mathrm{C}$; (c) Zn miếng, $50\ ^\circ\mathrm{C}$; (d) Zn bột, $50\ ^\circ\mathrm{C}$. Thí nghiệm nào có bọt khí nhanh nhất? Cặp nào cho biết riêng tác dụng của nhiệt độ?

Giải.

1. Phương trình: $\mathrm{Zn} + 2\mathrm{HCl} \rightarrow \mathrm{ZnCl_2} + \mathrm{H_2}$. Nồng độ acid và lượng Zn như nhau ở cả bốn thí nghiệm; chỉ khác dạng của Zn và nhiệt độ.
2. Bột có bề mặt lớn hơn miếng; $50\ ^\circ\mathrm{C}$ nóng hơn $25\ ^\circ\mathrm{C}$. Thí nghiệm (d) có cả hai yếu tố tăng tốc nên nhanh nhất, (a) chậm nhất.
3. Muốn tách riêng nhiệt độ, chọn cặp chỉ khác nhiệt độ: (a) với (c), hoặc (b) với (d). Cặp (a) với (d) khác cả hai yếu tố nên không tách được.

Thí nghiệm X: bột đá vôi $\mathrm{CaCO_3}$ với HCl $0{,}5\ \text{M}$ ở $40\ ^\circ\mathrm{C}$. Thí nghiệm Y: viên đá vôi (cùng khối lượng) với HCl $0{,}5\ \text{M}$ ở $25\ ^\circ\mathrm{C}$. Bạn A thấy X nhanh hơn và kết luận "nhiệt độ cao làm phản ứng nhanh". Kết luận đó có chắc chắn không?

Giải. Hai thí nghiệm khác nhau ở hai yếu tố: dạng chất rắn (bột, viên) và nhiệt độ. X nhanh hơn có thể do bề mặt lớn, do nhiệt độ cao, hoặc cả hai. Kết luận của bạn A chưa chắc chắn. Muốn kết luận về nhiệt độ, phải làm Y' với cùng bột đá vôi ở $25\ ^\circ\mathrm{C}$.

Nêu yếu tố làm đổi tốc độ trong mỗi tình huống: (1) quạt vào bếp than; (2) thái thịt thành miếng nhỏ trước khi hầm; (3) cất thịt đã sơ chế vào tủ lạnh; (4) cho men vào bột khi ủ rượu nếp; (5) bơm khí nén vào bình phản ứng tổng hợp khí.

Giải. (1) Nồng độ $\mathrm{O_2}$ tăng, cháy mạnh hơn. (2) Diện tích bề mặt tăng, thịt chín nhanh hơn. (3) Nhiệt độ giảm, các phản ứng làm hỏng thịt chậm lại. (4) Xúc tác sinh học (enzyme), tăng tốc độ lên men. (5) Áp suất khí tăng nên nồng độ tăng, tốc độ tăng.

Giải thích: (a) vì sao hỗn hợp $\mathrm{H_2}$ và $\mathrm{O_2}$ để nguội không cháy nhưng cháy mạnh khi có tia lửa; (b) một phản ứng toả nhiệt có $E_a = 120\ \text{kJ/mol}$ và $E_a' = 170\ \text{kJ/mol}$, thêm xúc tác làm $E_a$ giảm còn $80\ \text{kJ/mol}$: tính $\Delta_rH$ và $E_a'$ mới.

Giải.

(a) Phản ứng toả nhiệt nhưng cần $E_a$ để phá liên kết $\mathrm{H{-}H}$ và $\mathrm{O{=}O}$. Ở nhiệt độ phòng hầu như không có va chạm đủ năng lượng; tia lửa cung cấp năng lượng, phản ứng bắt đầu, nhiệt toả ra làm các phân tử khác đủ năng lượng và phản ứng tự lan.

(b) $\Delta_rH = E_a - E_a' = 120 - 170 = -50\ \text{kJ/mol}$ (toả nhiệt). Xúc tác làm $E_a$ giảm $120 - 80 = 40\ \text{kJ/mol}$ thì $E_a'$ cũng giảm $40$: $E_a' = 170 - 40 = 130\ \text{kJ/mol}$. Kiểm tra: $E_a' = E_a - \Delta_rH = 80 + 50 = 130$. $\Delta_rH$ vẫn $-50\ \text{kJ/mol}$.