Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
PHẦN THỨ NHẤT: MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Việc phát hiện và bồi dưỡng nhân tài luôn là mối quan tâm lớn của mỗi quốc gia.
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kĩ thuật và kinh tế xã hội, việc
phát hiện và bồi dướng nhân tài, phục vụ cho sự phát triển của quốc gia đang là quốc
sách hàng đầu không chỉ của các nước phát triển mà còn ở cả nhứng nước đang phát
triển trên toàn cầu.
Ở nước ta, từ những năm 60 của thế kỉ XX, các trường THPT chuyên đã được
thành lập với nhiệm vụ bồi dưỡng nhân tài cho đất nước. Học sinh ở các lớp như vậy
được tuyển chọn và có chế độ đào tạo riêng. Đối với học sinh chuyên Hóa, ngoài việc
học các nội dung theo chương trình quy định, các em còn phải học các chuyên đề đặc
biệt, những nội dung kiến thức chuyên sâu và được tiếp cận với những thí nghiệm hiện
đại. Các nội dung kiến thức được lựa chọn không những đáp ứng được yêu cầu của nền
giáo dục phổ thông mà còn nhằm phát huy được tối đa khả năng, rèn luyện tư duy cho
các em, kích thích sự sáng tạo, tạo dựng niềm say mê đối với Hóa học. Tuy nhiên, hiện
nay do áp lực của các kì thi học sinh giỏi, các bài tập được lựa chọn chủ yếu phục vụ
mục đích ti cử, chất lượng nắm vứng kiến thức của học sinh không cao, đặc biệt việc
phát huy tính tích cực của học sinh, năng lực nhận thức, năng lực giải quyết vấn đề và sự
sáng tạo còn hạn chế.
Kinh nghiệm bồi dưỡng học sinh năng khiếu ở nhiều nước cho thấy, việc xây
dựng hệ thống bài tập tốt, biết cách sử dụng hệ thống đó một cách hợp lý sẽ có tác dụng
tích cực đến việc giáo dục, rèn luyện và phát triển năng lực tư duy cho học sinh.
Với những lý do như trên tôi chọn đề tài ‘‘Xây dựng bài tập phần động hóa học
phát triển tư duy cho học sinh trung học phổ thông chuyên hóa”.
2. Mục đích nghiên cứu
Xác định nội dung có tính phương pháp luận và hệ thống bài tập cần khai thác để
phát triển năng lực nhận thức và tư duy hóa học cho học sinh chuyên Hóa.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
1
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
Đối tượng là học sinh lớp 10 Chuyên Hóa Trường THPT Chuyên Biên Hòa –
Tỉnh Hà Nam .
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
Nghiên cứu hoạt động tư duy của học sinh trong quá trình giải bài tập hóa học.
Xây dựng hệ thống bài tập phần động học phát triển năng lực nhận thức, rèn kĩ
năng và tư duy cho học sinh.
5. Phương pháp nghiên cứu
5.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết
Tổng hợp các tài liệu liên quan đến vấn đề phát triển tư duy cho học sinh, tài liệu
về phần động hóa học.
5.2. Thực nghiệm sư phạm
- Dạy thực nghiệm cho học sinh lớp 10 chuyên Hóa, trường THPT Chuyên Biên
Hòa – Hà Nam.
- Đánh giá tính khả thi và hiệu quả của hệ thống bài tập thông qua điều tra, quan
sát và một số bài kiểm tra.
6. Thời gian nghiên cứu
Từ tháng 8 năm 2013 đến tháng 3 năm 2014.
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
2
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
PHẦN II: NỘI DUNG
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ LUẬN CỦA ĐỀ TÀI
I. Tư duy hoá học và sự phát triển tư duy hoá học thông qua bài tập hoá học
1. Tư duy hoá học
Trên cơ sở các phẩm chất, các thao tác tư duy nói chung mỗi môn học còn có
những nét đặc trưng của hoạt động tư duy, phản ánh nét đặc thù nhận thức của ngành
khoa học đó.
- Tư duy hoá học: đặc trưng bởi phương pháp nhận thức hoá học nghiên cứu các
chất, các quá trình biến đổi chất và các quy luật chi phối quá trình này.
- Cơ sở của tư duy hoá học: sự liên hệ quá trình phản ứng với sự tương tác giữa
các tiểu phân của thế giới vi mô (phân tử, nguyên tử, ion, electron…), mối liên hệ giữa
đặc điểm cấu tạo và tính chất của chất, các quy luật biến đổi giữa các loại chất…
- Đặc điểm của quá trình tư duy hoá học: luôn có sự phối hợp chặt chẽ, thống nhất
giữa sự biến đổi bên trong và các dấu hiệu bên ngoài (phản ứng hoá học xảy ra - dấu
hiệu có phản ứng: kết tủa, bay hơi, đổi màu…), giữa cái cụ thể (tạo thành liên kết hoá
học) và cái trừu tượng (góp chung electron, nhường nhận electron, trao đổi ion…).
Nghĩa là những hiện tượng cụ thể quan sát được có liên hệ với những hiện tượng không
thấy được, những hiện tượng này chỉ nhận thức được bằng sự suy luận và ngôn ngữ hoá
học.
Vậy bồi dưỡng năng lực tư duy hoá học cho học sinh là bồi dưỡng cho học sinh
năng lực vận dụng thành thạo, linh hoạt các thao tác tư duy và phương pháp nhận thức:
dựa vào các dấu hiệu quan sát được mà phán đoán sự biến đổi nội tại các chất và các
biến đổi hoá học. Quá trình này bắt đầu từ sự quan sát các hiện tượng hoá học, phân tích
các yếu tố của quá trình biến đổi, tìm ra các mối liên hệ định tính, định lượng giữa các
chất, quan hệ nhân quả giữa các hiện tượng từ đó xây dựng trên các cơ sở lí thuyết, quy
luật, định luật được mô tả bằng ngôn ngữ hoá học rồi lại được vận dụng vào nghiên cứu
các vấn đề thực tiễn đặt ra.
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
3
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
2. Phát triển tư duy hoá học cho học sinh qua bài tập hoá học
- Tác dụng của bài tập hoá học:
+ Tác dụng trí dục:
- Làm học sinh hiểu sâu sắc hơn những khái niệm đã học
- Đào sâu mở rộng sự hiểu biết một cách sinh động, phong phú
- Không làm nặng nề khối lượng kiến thức cho học sinh, chỉ các vấn đề
áp dụng giải bài tập mới được hiểu sâu sắc.
- Là phương tiện ôn tập, củng cố, hệ thống hoá kiến thức một cách tốt nhất, đặc biệt
là bài tập dãy chuyển hoá và bài tập nhận biết.
- Thúc đẩy thường xuyên sự rèn luyện các kĩ năng hoá học: viết CTPT, PTHH,
tính toán, kĩ năng thực hành hoá học…
- Tạo điều kiện phát triển tư duy học sinh: khi giải bài tập hoá học bắt buộc phải suy
nghĩ, tư duy phải đào sâu để hiểu rõ và hiểu kĩ vấn đề, nên yêu cầu học sinh giải bằng
nhiều cách để phát triển trí thông minh.
+ Tác dụng giáo dục:
- Rèn luyện tính kiên nhẫn, cẩn thận, trung thực trong lao động, sinh hoạt, nghiên
cứu khoa học…
- Rèn luyện tính cẩn thận tuân thủ triệt để các quy định khoa học.
- Bài tập hoá học còn được sử dụng như một phương tiện nghiên cứu tài
liệu mới, rèn luyện tính tích cực chủ động tự giác lĩnh hội kiến thức cho học sinh một
cách sâu sắc.
Trên đây là một số tác dụng của bài tập hoá học, nhưng bài tập hoá học có tác
dụng hay không còn phụ thuộc vào người sử dụng nó. Khai thác được mọi khía cạnh của
bài toán để học sinh tự lực tìm ra cách giải lúc đó bài tập hoá học mới thực sự có ý
nghĩa, mới thực sự phát triển tư duy thông qua bài toán hoá học.
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
4
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
II. Vận dụng kiến thức phân tích định tính trong giảng dạy chương trình Hoá học
phổ thông
Nội dung kiến thức hoá học phân tích định tính giúp chúng ta nghiên cứu sâu về
bản chất tương tác các chất xảy ra trong dung dịch. Với chương trình Hoá học phổ thông
việc nghiên cứu các chất và các quá trình biến đổi của những phản ứng được xem xét
trên cơ sở các phản ứng trong dung dịch. Vì vậy lí thuyết về sự điện li, các cân bằng axit
– bazơ, cân bằng oxi hoá - khử, cân bằng tạo phức, cân bằng tạo hợp chất ít tan là những
nội dung kiến thức cần nắm vững để vận dụng, xem xét các quá trình hoá học trong
chương trình sách giáo khoa hóa học phổ thông.
Các kiến thức về dung dịch chất điện li và các cân bằng hoá học xảy ra trong dung
dịch được vận dụng mghiên cứu trong toàn bộ chương trình hoá học phổ thông nhằm
xác định khả năng phản ứng của các chất, mức độ xảy ra phản ứng hoá học từ đó đánh
giá khả năng lựa chọn thuốc thử trong nhận biết và tách chất.
Vận dụng cơ sở lí thuyết hoá học phân tích định tính để nghiên cứu các cơ sở các
quá trình hoá học xảy ra trong dung dịch giúp học sinh hiểu rõ bản chất các phản ứng
hoá học trong dung dịch và trả lời các câu hỏi như: Tại sao trong cùng một điều kiện có
phản ứng xảy ra được, có phản ứng không? Muốn phản ứng xảy ra cần điều kiện gì?
- Tại sao cùng là các dung dịch muối có những dung dịch có môi trường axit, có những
dung dịch có môi trường bazơ, trung tính?
- Tại sao các muối sunfua lại có độ tan khác nhau trong các dung dịch HCl, HNO
3
?
Có rất nhiều vấn đề đặt ra nữa, nhiều câu hỏi tại sao và nhiệm vụ của người giáo
viên không phải là giải đáp tất cả từng câu hỏi đó mà phải cung cấp một hệ thống kiến
thức khoa học để học sinh tự mình vận dụng tìm ra câu trả lời. Một trong hệ thống các
kiến thức cần cung cấp đó là kiến thức cơ sở Hoá học phân tích định tính về cân bằng
của các ion trong dung dịch bao gồm: lí thuyết về sự điện li, cân bằng axit-bazơ, cân
bằng tạo phức, cân bằng oxi hoá-khử, cân bằng tạo hợp chất ít tan…
Để xem xét khả năng vận dụng kiến thức cơ sở hoá học phân tích định tính vào
việc làm rõ hiểu sâu các chất và bản chất các quá trình hoá học chúng tôi đề cập đến
những nội dung kiến thức về sự điện li và các cân bằng của ion trong dung dịch giúp giải
quyết các nội dung của hoá học phổ thông thông qua các ví dụ và bài tập hoá học ở mức
độ nhận thức khác nhau nhằm phát triển năng lực nhận thức và tư duy của học sinh.
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
5
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT VỀ ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG
I. Động hóa học và nhiệt động học
1. Đối tượng của động hóa học
Động lực hóa học, gọi tắt là động hóa học, là một ngành của hóa lí, là khoa học về
tốc độ của phản ứng hóa học, về những yếu tố có ảnh hưởng đến tốc độ (nồng độ, nhiệt
độ, chất xúc tác…) và cả về cơ chế phản ứng.
2. Các điều kiện xảy ra phản ứng hóa học
a. Điều kiện nhiệt động
Nhiệt động học cho phép tiên đoán khả năng, chiều hướng diễn biến của các phản
ứng hóa học và những trạng thái cuối sẽ đạt tới. Theo nhiệt động học, tiêu chuẩn để xác
định chiều diễn biến của phản ứng ở T, P không đổi là thế đẳng áp hay năng lượng tự do
Gipxơ.
Nếu ∆G
T,P
< 0, phản ứng tổng quát diễn ra theo chiều từ trái sang phải như đã giả
thiết. Nếu ∆G
T,P
> 0, phản ứng diễn ra theo chiều ngược lại. Nếu ∆G
T,P
= 0, hệ ở trạng
thái cân bằng.
b. Điều kiện động hóa học
Về mặt động học, khả năng thực hiện một phản ứng được đặc trưng bằng năng
lượng hoạt hóa. Năng lượng hoạt hóa là năng lượng dư tối thiểu so với năng lượng trung
bình của hệ mà các phân tử tương tác phải có để tương tác giữa chúng dẫn đến phản ứng
thực sự.
II. Tốc độ phản ứng hóa học
1. Định nghĩa
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
6
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
Tốc độ phản ứng hóa học được đo bằng độ biến thiên nồng độ của các chất phản
ứng (hay sản phẩm phản ứng) trong một đơn vị thời gian.
a. Tốc độ trung bình
C
v =
t
∆
∆
(1)
Ở đây:
v
là tốc độ trung bình của phản ứng, ∆C là biến thiên nồng độ trong khoảng thời
gian ∆t.
b. Tốc độ tức thời
Cho ∆t→0, tỉ số ∆C/∆t sẽ dẫn tới một giới hạn là đạo hàm dC/dt của nồng độ theo
thời gian, giới hạn này lấy với dấu thích hợp, gọi là tốc độ tức thời hay tốc độ thực v của
phản ứng ở thời điểm t.
Đối với phản ứng tổng quát :
aA + bB → cC + dD
Với a, b, c, d là hệ số tỉ lượng của các chất trong phương trình phản ứng. Tốc độ tức thời
của phản ứng được xác định theo biểu thức :
A B C D
dC dC dC dC
v = - - = =
a.dt b.dt cdt d.dt
=
(2)
2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng
2.1. Ảnh hưởng của nồng độ
Xét phản ứng hóa học ở nhiệt độ không đổi:
aA + bB → cC + dD
Tốc độ của phản ứng này có dạng :
a b
A B
v = k.C .C
(3)
Biểu thức (3) là biểu thức của định luật tác dụng khối lượng trong động hóa học
của Gunbe và Vagơ.
Tổng a+b gọi là phân tử số hay bậc của phản ứng.
Tuy nhiên chỉ một số rất ít các phản ứng tuân theo định luật tác dụng khối lượng.
Bậc của phản ứng không bằng tổng các hệ số phân tử trong phương trình phản ứng. Bậc
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
7
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
phản ứng chỉ có thể được xác định dựa vào thực nghiệm, nó có thể là một số nguyên,
một phân số hay có khi không xác định được.
Do đó tốc độ phản ứng tổng quát của phản ứng trên có thể viết như sau :
n1 n2
A B
v = k.C .C
Bậc toàn phần của phản ứng n = n
1
+ n
2
n
1
, n
2
gọi là bậc riêng phần của phản ứng đối với mỗi chất A, B.
2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Vấn đề ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ của phản ứng hóa học là một trong
những trọng tâm của động học hóa học. Việc nghiên cứu cho phép hiểu được bản chất
của tương tác hóa học, nó cho phép chọn chế độ nhiệt tối ưu cho phản ứng.
Những nghiên cứu thực nghiệm rộng rãi cho thấy rằng đối với đa số các phản ứng
hóa học, khi tăng nhiệt độ thêm 10
0
C thì tốc độ phản ứng tăng lên từ 2 đến 4 lần. Ví dụ
đối với phản ứng :
H
2
O
2
+ 2I
-
+ 2H
+
→ I
2
+ 2H
2
O
Nếu cho rằng ở 0
0
C, k=1 thì :
t (
0
C) 0 10 20 40 60
k 1 2,08 4,38 16,2 30,95
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng dĩ nhiên ta phải cố
định nồng độ các chất tham gia phản ứng. Do đó, sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào
nhiệt độ thực chất là sự phụ thuộc của hằng số tốc độ vào nhiệt độ.
Gọi k
T
là hằng số tốc độ của phản ứng đã cho ở nhiệt độ T và k
T+10
là hằng số tốc
độ của phản ứng ở nhiệt độ T+10, theo quy tắc trên ta có :
T+10
T
k
= = 2 4
k
γ
÷
Ở đây, γ (gama) được gọi là hệ số nhiệt độ của phản ứng.
Quy tắc này chỉ là một sự gần đúng thô, chỉ áp dụng được khi khoảng nhiệt độ
biến thiên nhỏ hơn 100
0
C.
Nếu chấp nhận γ = const trong một khoảng nhiệt độ nào đó ta có công thức sau :
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
8
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
T T
2 1
2
10
1
T
T
k
=
k
γ
−
Để biểu diễn tốt hơn sự phụ thuộc của hằng số tốc độ k vào nhiệt độ các nhà khoa
học đã nghiên cứu và tìm ra một số phương trình sau :
Phương trình Van Hốp :
2
dlnk b
=a+
dt T
Trong đó, a và b là những hằng số, T là nhiệt độ tuyệt đối. Tuy nhiên Van Hốp
không nêu được ý nghĩa vật lí của sự phụ thuộc đó và không đề ra được khái niệm hoạt
hóa như Arêniut.
Phương trình Areniut :
- Dạng vi phân :
a
2 2
E
dlnk B
= =
dt T RT
- Dạng tích phân :
a a
E E
lnk = - +C = - +lnA
RT RT
a
a
-E /RT
a
-E /
E
k k
ln e
A RT A
k = A.e
RT
⇔ = − ⇔ =
⇒
lnk = lnA – E
a
/RT
Trong đó, T là nhiệt độ tuyệt đối, R là hằng số khí (R=8,314 J/mol.K), B =E
a
/R là
hằng số thực nghiệm >0, E
a
gọi là năng lượng hoạt hóa thực nghiệm hoặc năng lượng
hoạt hóa Areniut đặc trưng cho hằng số tốc độ k của phản ứng và tính ra J/mol hoặc
kJ/mol ; C = lnA > 0 là hằng số tích phân cũng được xác định bằng thực nghiệm.
Nếu biết hằng số tốc độ ở hai nhiệt độ ta có thể tính được năng lượng hoạt hóa của
phản ứng theo công thức :
2
1
T
a
T 1 2
k
E
1 1
ln = -
k R T T
÷
Hoặc :
2
1
T
a
T 1 2
k
E
1 1
lg = -
k 2,303.R T T
÷
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
9
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
2.3. Ảnh hưởng của chất xúc tác
Định nghĩa: Xúc tác là sự làm thay đổi tốc độ của các phản ứng hóa học được
thực hiện bởi một số chất mà ở cuối quá trình chất này vẫn còn nguyên vẹn. Chất gây ra
sự xúc tác là chất xúc tác.
Thông thường thuật ngữ chất xúc tác được dùng để chỉ các chất xúc tác dương
làm tăng tốc độ phản ứng. Các chất làm giảm tốc độ phản ứng gọi là chất ức chế.
3. Các phương trình động học của các phản ứng hóa học
3.1. Các phản ứng bậc không
Phản ứng bậc không là phản ứng mà tốc độ của nó không phụ thuộc vào nồng độ
của các chất phản ứng, tức tốc độ phản ứng là một hằng số không phụ thuộc vào thời
gian.
Phương trình động học vi phân của phản ứng :
-d[A]
v = =k
dt
d[A] = -k.dt⇒
Lấy tích phân phương trình từ thời điểm t
1
=0 tương ứng với nồng độ ban đầu [A]
0
đến thời điểm t ta có :
[A] – [A]
0
= -kt
hay [A] = [A]
0
–kt
Từ biểu thức ta thấy nồng độ của chất phản ứng giảm một cách tỉ lệ thuận với thời
gian. Đồ thị [A] = f(t) là một đường thẳng với hệ số góc âm
tg k
θ
= −
.
3.2. Các phản ứng bậc một
Phương trình phản ứng bậc 1 có dạng :
A → Sản phẩm
Phương trình động học vi phân của phản ứng:
v = -d[A]/dt = k[A]
hay -d[A]/[A] = kdt
Lấy tích phân phương trình này ta được :
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
10
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
0
[A]
ln = kt
[A]
−
hay ln[A] = ln[A]
0
–kt
Trong đó, [A]
0
là nồng độ đầu của A, [A] là nồng độ của A ở thời điểm t.
Đồ thị ln[A] = f(t) là một đường thẳng mà hệ số góc sẽ cho biết giá trị của hằng số
tốc độ phản ứng k.
Vì nồng độ tỉ lệ với áp suất (nếu chất phản ứng ở thể khí) cũng như tỉ lệ với số
nguyên tử hay phân tử nên phương trình động học tích phân của phản ứng bậc 1 có thể
biểu diễn dưới các dạng:
lnP
0
/P = kt
lnN
0
/N
= kt
Phản ứng bậc 1 thường là phản ứng phân hủy của các chất. Ví dụ:
C
2
H
6
→ C
2
H
4
+ H
2
N
2
O
5
→ N
2
O
4
+ 1/2O
2
Thời gian nửa phản ứng t
1/2
là thời gian mà một nửa lượng ban đầu của chất phản
ứng đã bị tiêu thụ.
1/2
ln2 0,693
t = =
k k
3.3. Các phản ứng bậc hai
Dạng tổng quát của phản ứng bậc 2 là:
A + B → Sản phẩm
Phương trình vi phân có dạng:
d[A] d[B]
- =- =k[A].[B]
dt dt
a. Trong trường hợp đơn giản khi nồng độ ban đầu của A, B bằng nhau, ta có:
2
-d[A]
=k[A]
dt
-d[A]
=kdt
[A]
⇒
lấy tích phân phương trình này sẽ được:
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
11
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
0
1 1
kt
[A] [A]
− =
Đồ thị biểu diễn 1/[A] = f(t) là một đường thẳng với
tg k
θ
=
. Khi t = t
1/2
1/2
0 0
1 1 1
kt = - =
[A]
[A] [A]
2
b. Khi nồng độ ban đầu của A, B khác nhau. Đặt [A]
0
= a, [B]
0
= b, lượng A, B đã
tham gia phản ứng cho đến thời điểm t là x. Phương trình động học vi phân có dạng:
dx
=k(a-x).(b-x)
dt
dx
=kdt
(a-x).(b-x)
⇒
Lấy tích phân phương trình này ta được:
1 a.(b-x)
kt= ln
b-a b.(a-x)
Ví dụ: Người ta nghiên cứu phản ứng xà phòng hóa etyl fomiat bằng NaOH ở 25
0
C:
HCOOC
2
H
5
+ NaOH → HCOONa + C
2
H
5
OH
Nồng độ ban đầu của NaOH và của este đều bằng 0,01M. Lượng etanol được tạo
thành theo thời gian được biểu diễn trong bảng sau:
Thời gian (s) 0 180 240 300 360
[C
2
H
5
OH] (M) 0 2,6.10
-3
3,17.10
-3
3,66.10
-3
4,11.10
-3
a. Chứng minh rằng bậc tổng cộng của phản ứng bằng 2. Từ đó suy ra bậc phản ứng
riêng đối với mỗi chất phản ứng.
b. Tính hằng số tốc độ phản ứng ở 25
0
C.
Giải:
a. Gọi nồng độ ban đầu của NaOH và este là a :
[NaOH] = [este] = a (M)
Gọi nồng độ etanol được tạo thành ở thời điểm t là x, theo bài ra ta có :
HCOOC
2
H
5
+ NaOH → HCOONa + C
2
H
5
OH
Ở t=0 a a 0 0
t a-x a-x x x
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
12
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
Phương trình tốc độ phản ứng :
p q p+q n
d[NaOH]
v=- =k[este] .[NaOH] =k.(a-x) =k(a-x)
dt
Ở đây, p và q là bậc phản ứng riêng tương ứng của este và NaOH, n là bậc phản
ứng tổng cộng.
Nếu phản ứng là bậc 2, phương trình động học tích phân sẽ là :
1 1
- = kt
a-x a
Từ các dữ kiện của bài toán ta có bảng sau :
t(s) 0 180 240 300 360
x 0 2,6.10
-3
3,17.10
-3
3,66.10
-3
4,11.10
-3
a-x 0,01 7,4.10
-3
6,83.10
-3
6,34.10
-3
5,89.10
-3
1/a-x 100 1,35.10
2
1,46.10
2
1,58.10
2
1,70.10
2
k(mol
-1
.l.s
-1
) 0,194 0,192 0,193 0,194
Vẽ đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của 1/(a-x) vào t thu được một đường thẳng.
Như vậy, phản ứng được xét là phản ứng bậc 2.
Hoặc nhận xét các giá trị của hằng số tốc độ k ở các thời điểm khác nhau không
nhiều, do đó giả thiết phản ứng bậc hai là đúng.
Vì bậc phản ứng là bậc 2, nồng độ ban đầu của các chất phản ứng lại bằng nhau
nên giả thiết đơn giản và hợp lí nhất là bậc phản ứng riêng của mỗi chất phản ứng bằng
một.
b. Từ đồ thị thu được chúng ta xác định được hệ số góc của đường thẳng. Đó là hằng
số tốc độ của phản ứng.
k = 0,194 mol
-1
.l.s
-1
Hoặc lấy trung bình các giá trị của hằng số k ở bảng trên ta được giá trị hằng số
tốc độ của phản ứng.
3.4. Các phản ứng bậc 3
Phản ứng bậc 3 có thể có 3 dạng:
A + B + C → sản phẩm
A + 2B → sản phẩm
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
13
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
3A → sản phẩm
Trong trường hợp đơn giản nhất 3A → sản phẩm, giả sử phản ứng có dạng:
3A → X + Y
Gọi a là nồng độ ban đầu của A và x là nồng độ của X được tạo thành ở thời điểm
t, ta có:
3A → X + Y
Ở t=0 a 0 0
t a-3x x y=x
Phương trình động học vi phân :
3
3
-d[A] dx
v= = =k.(a-3x)
3dt dt
dx
=kdt
(a-3x)
⇒
Lấy tích phân phương trình này ta được :
2 2
1 1
6kt= -
(a-3x) a
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
14
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
CHƯƠNG III : MỘT SỐ DẠNG BÀI TẬP ĐỘNG HỌC
I. Bài tập ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ của phản ứng hóa học
Bài 1.
Hệ số nhiệt của phản ứng bằng 3,5. Ở 15
0
C hằng số tốc độ của phản ứng này bằng
0,2 giây
-1
. Tìm hằng số tốc độ của phản ứng ở 40
0
C.
Giải :
Áp dụng công thức :
25 /10 2,5
15 25
15
(3,5)
k
k
γ
+
= =
k
40
= k
15
.(3,5)
2,5
= 4,6 giây
-1
Bài 2.
Phản ứng trong pha khí giữa amoniac và NO
2
ở giai đoạn đầu là phản ứng bậc 2.
Tính năng lượng hoạt hóa và trị số A của phương trình Areniut, biết rằng ở hai nhiệt độ
600K và 716K hằng số tốc độ có giá trị tương ứng bằng 0,385 và 16 (mol
-1
.l.s
-1
)
Giải :
Áp dụng công thức :
2
1
T
T 1 2
k
E 1 1
lg = . -
k 2,303.R T T
÷
Ta có :
16 E 1 1
lg = . -
0,385 2,303.8,314 600 716
÷
E = 114,8 kJ/mol
Thừa số A được xác định bằng phương trình :
k = A.e
-E/RT
16 = A.e
-114800/8,314.716
A = 3,8.10
9
(mol
-1
.l.s
-1
)
Bài 3.
Trong một phản ứng bậc nhất tiến hành ở 27
0
C, nồng độ chất đầu giảm đi một nửa
sau 5000 giây. Ở 37
0
C, nồng độ giảm đi 2 lần sau 1000 giây. Xác định :
a. Hằng số tốc độ ở 27
0
C
b. Thời gian để nồng độ đầu giảm tới ¼ ở 37
0
C.
c. Năng lượng hoạt hóa.
Giải :
a. Ta có :
1/2
0,693
t =
k
0
-4 -1
27 C
0,693
k = = 1,39.10 s
5000
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
15
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
b.
0
4 -1
37 C
0,693
k = = 6,93.10 s
1000
−
Thời gian cần thiết để nồng độ đầu giảm tới 1/4 giá trị đầu ở 37
0
C là :
1/4
-4
1 a
t = ln = 2000 (s)
6,93.10 a/4
c. Năng lượng hoạt hóa E được tính theo biểu thức :
2
1
T
T 1 2
k
E 1 1
lg = . -
k 2,303.R T T
÷
-4
-4
6,93.10 E 1 1
lg = . -
1,39.10 2,303.8,314 300 310
÷
E = 124 kJ/mol
Bài 4.
Cho phản ứng : CCl
3
COOH → CHCl
3
+ CO
2
Ở 44
0
C: k
1
= 2,19.10
-7
s
-1
. Ở 100
0
C: k
2
= 1,32.10
-3
s
-1
a. Tính hệ số nhiệt độ của phản ứng.
b. Tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng
Giải:
a. Áp dụng công thức:
2 1
2
1
T T
T
10
T
k
=
k
γ
−
100-44
-3
10
7
1,32.10
= = 4,73
2,19.10
γ γ
−
⇒ ⇒
b.
3
a
a
7
E
1,32.10 1 1
ln = - E = 153 kJ/mol
2,19.10 8,314 317 373
−
−
⇒
÷
Bài 5.
CH
3
– CH
3
→ CH
2
=CH
2
+ H
2
Ở 507
0
C: k
1
= 2,3.10
-4
s
-1
. Ở 527
0
C tốc độ phản ứng tăng lên gấp đôi.
a. Viết phương trình động học của phản ứng.
b. Thiết lập phương trình Areniut cho phản ứng.
c. Tính thời gian nửa phản ứng ở 527
0
C.
Giải:
a. Từ đơn vị của hằng số tốc độ, ta suy ra phản ứng là bậc 1
v = k.[CH
3
-CH
3
]
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
16
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
b.
2 2 a
1 1
a
k v E
1 1
ln = ln = ln2 = -
k v 8,314 780 800
E = 180 kJ/mol
÷
⇒
a
1
1
3
-4
3
-E
ln k = + lnA
RT
180.10
ln2,3.10 = - + lnA lnA = 19,3
8,314.780
21,6.10
lnk = - + 19,3
T
⇒
c.
0 0
3
-4 -1
527 527
-21,6.10
lnk = + 19,3 k = 4,53.10 s
800
C C
⇒
1/2
-4
ln2
t = = 1507 (s)
4,53.10
II. Bài tập xác định bậc của phản ứng
Bài 1.
Bằng thực nghiệm người ta đã thu được những số liệu của phản ứng giữa NO và
H
2
ở nhiệt độ 700
0
C như sau :
2NO
(k)
+ 2H
2(k)
→ 2H
2
O
(k)
+ N
2(k)
Thí nghiệm [H
2
], M [NO], M Tốc độ ban đầu, M.s
-1
1 0,010 0,025 v
1
=2,4.10
-6
2 0,0050 0,025 v
2
=1,2.10
-6
3 0,010 0,0125 v
3
=0,60.10
-6
a. Xác định phương trình động học và bậc của phản ứng.
b. Xác định hằng số tốc độ phản ứng.
Giải:
a. Ở bài này ta thấy, để xác định bậc riêng của phản ứng đối với mỗi chất người ta
cố định nồng độ của một chất và thay đổi nồng độ của chất còn lại. Gọi m, n lần lượt là
bậc phản ứng riêng phần của H
2
và NO. Ta có: v = k.[H
2
]
m
.[NO]
n
m n
m n -6
1 2
m n m n -6
2 2
v k.[H ] .[NO]
k.(0,01) .(0,025) 2,4.10
= = = = 2
v k.[H ] .[NO] k.(0,005) .(0,025) 1,2.10
m = 1⇒
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
17
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
m n -6
1
m n -6
2
v
k.(0,01) .(0,025) 2,4.10
= = = 4
v k.(0,01) .(0,0125) 0,6.10
n = 2⇒
Phương trình động học của phản ứng: v = k.[H
2
].[NO]
2
Bậc phản ứng 1+2 = 3
b. Tính hằng số tốc độ phản ứng:
-6
-2 2 -1
1
2
2,4.10
k = 0,38 mol .l .s
0,010.(0, 025)
=
Tương tự: k
2
= k
3
= 0,38 mol
-2
.l
2
.s
-1
Bài 2.
Chứng minh phương trình động học của phản ứng v = k.[H
2
].[NO]
2
2NO
(k)
+ 2H
2(k)
→ 2H
2
O
(k)
+ N
2(k)
phù hợp với cơ chế sau:
2NO N
2
O
2
(a): xảy ra nhanh
N
2
O
2
+ H
2
→ N
2
+ H
2
O
2
(b): xảy ra chậm
H
2
O
2
+ H
2
→ 2H
2
O (c): xảy ra nhanh
Giải:
Với một phản ứng nhiều giai đoạn thì giai đoạn chậm quyết định tốc độ của phản
ứng. Theo cơ chế trên ta có, tốc độ phản ứng được quyết định bởi giai đoạn (b):
v = k
’
.[N
2
O
2
].[H
2
] (1)
Theo (a):
2
2 2
C 2 2 C
2
[N O ]
K = [N O ] = K .[NO]
[NO]
⇒
(2)
Thay (2) vào (1) ta được:
v = k
’
.K
C
.[NO]
2
.[H
2
] với k
’
.K
C
= k = const
v = k.[NO]
2
.[H
2
]
Bài 3.
(CH
3
)
2
O → CH
4
+ CO + H
2
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
18
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
Phản ứng là bậc 1. Lúc đầu chỉ có (CH
3
)
2
O với áp suất trong bình là P
0
= 300,0
mmHg. Sau 10 giây áp suất trong bình P = 308,1 mmHg. Tính hằng số tốc độ k và thời
gian nửa phản ứng.
Giải :
(CH
3
)
2
O → CH
4
+ CO + H
2
Áp suất lúc đầu: P
0
0 0 0
Áp suất sau 10s: P
0
-x x x x
P = P
0
+ 2x
0 0
0
P - P 3P P
x= P - x =
2 2
−
⇒ ⇒
-3 -1
0 0
0
1/2
-3
[A] 2P
ln = kt ln = kt k = 1,36.10 s
[A] 3P P
ln2
t = = 510 (s)
1,36.10
⇒ ⇒
−
Bài 4.
C
2
H
5
I + NaOH → C
2
H
5
OH + NaI
Nồng độ ban đầu của hai chất phản ứng bằng nhau. Để một nửa lượng ban đầu các
chất phản ứng chuyển thành sản phẩm ở 32
0
C cần 906 phút.
a. Tính thời gian để một nửa lượng ban đầu các chất phản ứng chuyển thành sản phẩm ở
60
0
C, biết hệ số nhiệt độ của phản ứng là 2,83.
b. Tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng.
c. Tính hằng số tốc độ k ở hai nhiệt độ trên, biết rằng phản ứng là bậc 2 (bậc 1 đối với
mỗi chất) và nồng độ ban đầu của mỗi chất đều bằng 0,050 M.
Giải:
a. Áp dụng công thức:
2 1
2
1
T T
T
10
T
k
=
k
γ
−
Mặt khác:
2
1
T
1
1/2 T 2
k
t
ln2
k = =
t k t
⇒
2 1 2
60 32
10
1
t = t . t = 49 phut
(2,83)
−
⇒ ⇒
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
19
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
b. Tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng:
2 2 1
1 1 2
a
a
k t
906
= = =
k t 49
E
906 1 1
ln = . - E = 88 kJ/mol
49 8,314 305 333
v
v
⇒ ⇒
÷
c. Tính hằng số tốc độ phản ứng:
-2 -1 -1
1/2 1
0
1 1
t = k = = 2,2.10 mol .l.ph
k.[A] 906.0,050
⇒
(ở 32
0
C)
-1 -1 -1
2
1
k = = 4,1.10 mol .l.ph
49.0,050
Bài 5.
Nghiên cứu động học của phản ứng:
C
2
H
5
Br + OH
-
→ C
2
H
5
OH + Br
-
Nồng độ ban đầu của C
2
H
5
Br là 3,0.10
-2
mol/l, của KOH là 7,0.10
-2
mol/l. Ở thời
điểm t, lấy ra 10,0 cm
3
dung dịch và định lượng KOH chưa phản ứng. Thể tích dung
dịch HCl cần cho việc trung hòa hoàn toàn KOH theo thời gian là x cm
3
như sau:
t (h) 0,50 1,00 2,00 4,00
x (cm
3
) 12,84 11,98 10,78 9,48
Xác định bậc và hằng số tốc độ k của phản ứng.
Giải:
C
2
H
5
Br + OH
-
→ C
2
H
5
OH + Br
-
Nồng độ đầu: a b 0 0
Nồng độ ở thời điểm t: a-y b-y y y
Giả thiết phản ứng bậc hai thì phải tuân theo phương trình động học bậc hai :
1 a.(b-y)
kt = ln
b-a b.(a-y)
. Phương trình có dạng :
a(b-y)
ln = f(t)
b(a-y)
Dựa vào các dữ kiện của bài toán ta có bảng sau :
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
20
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
t (h) 0,50 1,00 2,00 4,00
x (cm
3
) 12,84 11,98 10,78 9,48
y.10
2
(M) 0,58 1,01 1,61 2,26
(a-y).10
2
(M) 2,42 1,99 1,39 0,74
(b-y).10
2
(M) 6,42 5,99 5,39 4,74
ln[a(b-y)/b(a-y)] 1,28.10
-1
2,55.10
-1
5,08.10
-1
10,10.10
-1
k (mol
-1
.l.h
-1
) 6,40.10
-2
6,38.10
-2
6,35.10
-2
6,31.10
-2
Ta thấy các giá trị hằng số tốc độ ở các thời điểm không khác nhau nhiều. Vậy giả
thiết phản ứng bậc 2 là đúng và k = 6,36.10
-2
mol
-1
.l.h
-1
Hoặc vẽ đồ thị ta thu được một đường thẳng.
Bài 6.
Cho phản ứng: A + B
→
C + D (1) là phản ứng đơn giản.
Tại 27
0
C và 68
0
C, phương trình (1) có hằng số tốc độ tương ứng lần lượt là k
1
=
1,44.10
7
mol
-1
.l.s
-1
và k
2
= 3,03.10
7
mol
-1
.l.s
-1
, R = 1,987 cal/mol.K
1. Tính năng lượng hoạt hóa E
A
(cal/mol) và giá trị của A trong biểu thức k=A.e
-E/RT
mol
-
1
.l.s
-1
2. Tại 119
0
C, tính giá trị của hằng số tốc độ phản ứng k
3
.
3. Nếu C
oA
= C
oB
= 0,1M thì t
1/2
ở nhiệt độ 119
0
C là bao nhiêu?
Giải:
1. Phản ứng động học bậc hai, áp dụng phương trình Archenius ta có
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
21
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
lnk
1
=
A
1
-E
RT
+ lnA; lnk
2
=
A
2
-E
RT
+ lnA;
lnk
2
-lnk1=
A
2
-E
RT
+ lnA-
A
1
-E
RT
- lnA
2
1
k
ln
k
=
A
E
R
(
1
1
T
-
2
1
T
)
E
A
=R
2. 1
2 1
T T
T -T
.
2
1
k
ln
k
= 3688,2 (cal/mol)
k = A.
(-E/RT)
e
A =
(-E/RT)
k
e
=
1
1
(-E/RT )
k
e
= 7.10
9
(mol
-1
.l.s
-1.
)
2. k
3
= A.
3
(-E/RT )
e
= 6,15.10
7
(mol
-1
.l.s
-1.
)
3.
1/2
τ
=
3. oA
1
k C
= 1,63.10
-7
(s)
Bài 7: Ở nhiệt độ cao hơn 100
o
C SO
2
Cl
2
đã chuyển sang thể hơi và phân hủy theo
phương trình:
SO
2
Cl
2
(k) → SO
2
(k) + Cl
2
(k).
Người ta cho SO
2
Cl
2
vào một bình rỗng (không có không khí) nút kín và theo dõi
biến thiên áp suất trong bình theo thời gian ở nhiệt độ 375 K:
Thời gian (s) 0 2500 5000 7500 10000
P(áp suất tổng cộng, atm) 1,000 1,053 1,105 1,152 1,197
a. Tìm bậc phản ứng và tính hằng số tốc độ khi biểu diễn tốc độ phản ứng qua áp suất
riêng phần của SO
2
Cl
2
b. Nếu thực hiện thí nghiệm trên ở 385 K thì sau 1h áp suất tổng cộng bằng 1,55 atm.
Tính năng lượng hoạt động hóa của phản ứng
Giải:
a. P
i
= x
i
P → P
i
V = n
i
RT → Pi = CiRT
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
22
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
→ Ci = Pi/RT và
( )
n n
i i
i i
n
-dC -dP1 k
v = = = k.C = .P
dt RT dt
RT
=
n
i
k'P
Như vậy định luật tốc độ có thể biểu diễn qua áp suất riêng phần của chất khí trong
hỗn hợp.
Ngoài ra:
( )
( )
1-n
n n n
i
i i i
n
-dP RT.k
= .P = RT k.P = k''.P
dt
RT
với k’’ = k (RT)
1-n
Khi n =1 (phản ứng bậc 1) thì k = k’’
2 2
SO Cl
P
= 1 – x ; P
SO2
= x ; P
Cl2
= x
P
tổng
= 1 - x + x + x = 1 + x→ x = P
tổng
- 1
Bảng 2
Thời gian (s) 0 2500
(t1)
5000
(t2)
7500
(t3)
10000
(t4)
P(áp suất tổng cộng, atm)
x = P
tổng
- 1
P
SO2Cl2
= 1 – x
ln P
SO2Cl2
1,000
0
1
0
1,053
0,053
0,947
-0,05446
(lnP
1
)
1,105
0,105
0,895
-0,11093
(lnP
2
)
1,152
0,152
0.848
-0,16487
(lnP
3
)
1,197
0,197
0,803
-0,2194
(lnP
4
)
Dựa váo bảng 2 dễ thấy rằng
2 2
1 1
ln
2
ln
t P
t P
= =
'
n
i
k P
4 4
1 1
ln
4
ln
t P
t P
= =
lnP như vậy phụ thuộc tuyến tính vào t. Mặt khác giá trị đại số của lnP giảm dần.
LnP giảm tuyến tính theo thời gian chứng tỏ rằng phản ứng là bậc 1.
P
I
= P
o
I
e
-kt
→ lnP = lnP
o
– kt
lnP
1
= lnP
o
– kt
1
lnP
2
= lnP
o
– kt
2
1
2 1 2
P
1
k = ln
t -t P
= 2,2.10
-5
s
-1
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
23
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
Chú ý: Có thể tính k bằng đồ thị. Dựa vào các số liệu có thể tính k với các cặp số liệu
khác nhau rồi tính trị trung bình
c) P
SO2Cl2
= 1 – x = 2- P
tổng
= 2 – 1,55 atm = 0,45 atm
k
T2 =
1 1,00
ln
3600 0,45
=
2,2.10
-4
s
-1
E
A
=R
2. 1
2 1
T T
T -T
.
2
1
k
ln
k
= 276,4 kJ/mol
Bài 8: (Cân bằng hóa học trong pha khí)
Cho phản ứng: SO
2
Cl
2
→ SO
2
+ Cl
2
Người ta tiến hành nung nóng 0,1 mol SO
2
Cl
2
ở 600K trong bình phản ứng có
dung tích 1 lít và đo áp suất của hỗn hợp các chất trong bình thì thu được các số liệu
thực nghiệm sau:
T (giờ) 0 1 2 4 8
P (atm) 4,92 5,67 6,31 7,31 8,54
1. Xác định bậc của phản ứng.
2. Tính hằng số tốc độ và thời gian bán phản ứng ở 600K.
3. Tính áp suất trong bình sau khi tiến hành phản ứng 24 giờ.
4. Nếu tiến hành phản ứng với cùng lượng SO
2
Cl
2
trong bình trên ở 620K thì sau
2 giờ, áp suất trong bình là 9,12. Tính hệ số nhiệt của phản ứng.
Giải:
1. Giả sử phản ứng là bậc 1 ⇒ Phương trình động học k = ln
P
P
0
(P
0
là áp suất của SO
2
Cl
2
ở thời điểm ban đầu, t là áp suất của SO
2
Cl
2
tại thời điểm t)
SO
2
Cl
2
⇔ SO
2
+ Cl
2
t = 0 P
o
0 0
phản ứng x x x (atm)
t P
o
- x x x
⇒ P
hỗn hợp
= P
o
+ x ; P = P
o
- x = 2P
o
- P
hh
. Ta có bảng số liệu sau :
t(h) 0 1 2 4 8
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
24
Sáng kiến kinh nghiệm Đinh Thị Xoan
P
hh
(atm) 4,92 5,67 6,31 7,31 8,54
P (atm) 4,92 4,17 3,53 2,53 1,30
Thế các giá trị vào phương trình động học, ta có :
1
1
1 4,92
k ln 0,1654h
1 4,17
−
= =
1
2
1660,0
53,3
92,4
ln
2
1
−
==
hk
1
3
1663,0
53,2
92,4
ln
4
1
−
== hk
1
4
1664,0
3,1
92,4
ln
8
1
−
==
hk
Vì k
1
≈ k
2
≈ k
3
≈ k
4
⇒ Phản ứng trên là bậc 1
b)
1
4321
1660,0
4
−
=
+++
=
h
kkkk
k
h
k
t 1753,4
1660,0
6931,0ln
2
2
1
===
c) t = 24h
P = P
o
.e
-kt
= 4,92.e
-0,166.24
= 0,093 atm = P
o
- x ⇒ x = 4,827 atm
Vậy áp suất trong bình: P
hh
= P
o
+ x = 9,747 atm
d) Ở 620k:
1
7895,0
048,1
084,5
ln
2
1
048,1;084,5
1
620.082,0.1,0
−
==
====
hk
atmPatm
V
nRT
P
o
Ta có :
=
600
620
k
k
181,2
10
600620
600
620
==⇒
−
K
K
γγ
Bài 9.
Đồng vị phân rã phóng xạ đồng thời theo 2 phản ứng:
−
+→
β
ZnCu
k 64
30
64
29
1
và
+
+→
β
NiCu
k 64
28
64
29
2
Thực nghiệm cho biết từ 1 mol
64
Cu ban đầu, sau 25 giờ 36 phút lấy hỗn hợp còn lại
hoà tan vào dung dịch HCl dư thì còn 16 gam chất rắn không tan.
Trường THPT Chuyên Biên Hòa
25
β
-
β
-