Đại học · 15 phút

Tốc độ phản ứng và thuyết va chạm

Xem A + B → 2C chỉ xảy ra khi các hạt va chạm có đủ năng lượng; thay đổi nhiệt độ, Ea và chất xúc tác.

Mục tiêu

Thấy rằng tốc độ phụ thuộc vào phần các va chạm có năng lượng trên $E_a$ , và vì sao nhiệt độ cao hơn hay chất xúc tác làm phản ứng nhanh hơn.

Dụng cụ và hoá chất

Chỉ là mô phỏng, không có hoá chất. Năng lượng được thu nhỏ (Ea ÷ 8) để phản ứng thấy được trong vài giây; các xu hướng là thật.

Cách làm

Chạy mặc định (300 K, Ea = 50 kJ/mol) và xem C tích tụ nhanh cỡ nào.
Tăng nhiệt độ lên 350 K và so sánh.
Bật chất xúc tác, rồi tắt, và tăng Ea lên 80 kJ/mol.

Điều cần quan sát

Tỉ lệ va chạm dẫn tới phản ứng khoảng 2,5 % ở 300 K, 3,8 % ở 350 K, 15,7 % khi có xúc tác và chỉ 0,5 % ở Ea = 80 kJ/mol (giá trị lí thuyết của mô hình này).
Phần lớn va chạm không gây ra gì: các hạt chỉ nảy ra.
Khi A hoặc B hết thì các số đếm ngừng đổi và lượt chạy tự bắt đầu lại sau giây lát.

Giải thích

Một va chạm chỉ dẫn đến phản ứng nếu năng lượng theo phương nối tâm vượt $E_a$ . Với chuyển động nhiệt, phần các va chạm như vậy tỉ lệ với $e^{-E_a/RT}$ , từ đó có phương trình Arrhenius $k = A\,e^{-E_a/RT}$ (thừa số $A$ chứa tần số va chạm và yếu tố hình học). Tăng $T$ đưa nhiều va chạm hơn qua ngưỡng và cũng làm chúng thường xuyên hơn. Chất xúc tác mở một con đường khác có $E_a$ thấp hơn; nó làm nhanh cả hai chiều và không đổi hằng số cân bằng hay $\Delta H$ .

Lịch sử và bối cảnh

Nghiên cứu đo độ quay của Wilhelmy năm 1850 về sự nghịch chuyển đường là phép đo tốc độ phản ứng đầu tiên; động học hoá học của van 't Hoff (1884) sau đó nối tốc độ với cân bằng. Năm 1889 Arrhenius nhận ra số liệu tốc độ thuộc nhiều loại đều cong theo cùng một cách trên đồ thị

1/T

và viết

k = A\,e^{-E_a/RT}

— phương trình mà mô phỏng va chạm này minh hoạ từng hạt một.

Nhà hoá học liên quan

Svante Arrhenius Jacobus Henricus van ’t Hoff

Chủ đề liên quan

Tốc độ phản ứng, bậc phản ứng Năng lượng hoạt hoá, phương trình Arrhenius

Thí nghiệm ảo: một mô hình đơn giản hoá để xây dựng trực giác. Nó không thay thế thực hành thật và huấn luyện an toàn; không tự làm lại tại nhà khi không có người hướng dẫn.