Tốc độ và mức độ biến đổi hóa học

• Tốc độ là lượng chất biến đổi mỗi giây — đọc từ bảng số liệu, đồ thị và tiếp tuyến; thuyết va chạm giải thích mọi yếu tố làm thay đổi tốc độ này.
• Phản ứng thuận nghịch đạt trạng thái cân bằng động; (HT) Nguyên lý Le Chatelier dự đoán cách các điều kiện làm dịch chuyển cân bằng.
• Công nghiệp tối ưu hóa cả tốc độ và hiệu suất cùng lúc — chọn điều kiện cân bằng hợp lý.

Tính toán tốc độ: tốc độ phản ứng = lượng chất phản ứng tiêu thụ ÷ thời gian, hoặc lượng sản phẩm tạo thành ÷ thời gian — tính bằng g/s hoặc cm³/s (HT còn dùng mol/s). Phân tích đồ thị lượng sản phẩm theo thời gian (đầu dốc hơn, sau đó dẹt lại khi chất phản ứng cạn kiệt); vẽ tiếp tuyến và dùng độ dốc của tiếp tuyến làm tốc độ tại thời điểm đó (HT tính toán cụ thể).

Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ: nồng độ (dung dịch), áp suất (chất khí), diện tích bề mặt (chất rắn), nhiệt độ, chất xúc tác. RP5: nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ bằng (a) đo thể tích khí sinh ra và (b) quan sát sự thay đổi màu sắc/độ đục — thiết lập giả thuyết, xác định biến số, thực hiện lặp lại thí nghiệm.

Thuyết va chạm: phản ứng chỉ xảy ra khi các hạt va chạm với ít nhất năng lượng kích hoạt. Tăng nồng độ/áp suất làm các hạt dày đặc hơn — tăng tần suất va chạm; giảm kích thước hạt rắn làm tăng tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích — tăng diện tích tiếp xúc暴露, tăng tần suất va chạm; tăng nhiệt độ cung cấp năng lượng lớn hơn cho các hạt — vừa tăng tần suất va chạm, vừa tăng số va chạm có đủ năng lượng vượt qua ngưỡng kích hoạt.

Chất xúc tác: thay đổi tốc độ phản ứng nhưng không bị tiêu hao; mỗi phản ứng có chất xúc tác riêng; enzyme là chất xúc tác sinh học. Chất xúc tác cung cấp con đường thay thế với năng lượng kích hoạt thấp hơn — nhận biết bằng việc làm tăng tốc độ phản ứng mà không xuất hiện trong phương trình hóa học. Biểu đồ năng lượng của nó giữ nguyên biến thiên năng lượng tổng thể nhưng có đỉnh cao thấp hơn:

Phản ứng thuận nghịch: sản phẩm có thể phản ứng ngược trở lại thành chất tham gia — được viết bằng mũi tên ⇌. Nếu một chiều là tỏa nhiệt, chiều kia sẽ hấp thụ nhiệt, chuyển giao cùng một lượng năng lượng.

Cân bằng hóa học: trong hệ kín, cân bằng đạt được khi tốc độ thuận và tốc độ nghịch bằng nhau — nồng độ dừng thay đổi dù cả hai phản ứng vẫn tiếp diễn (cân bằng động).

(HT) Nguyên lý Le Chatelier: hệ ở trạng thái cân bằng sẽ phản ứng để chống lại mọi sự thay đổi:

• Nồng độ ↑ của chất tham gia → tạo ra nhiều sản phẩm hơn (và ngược lại);
• Áp suất ↑ → vị trí cân bằng dịch chuyển về phía có ít phân tử khí hơn;
• Nhiệt độ ↑ → vị trí cân bằng dịch chuyển theo chiều hấp thụ nhiệt (↓ đối với chiều tỏa nhiệt).

Xúc tác không làm dịch chuyển vị trí cân bằng — chỉ giúp đạt cân bằng nhanh hơn. Công nghiệp chọn điều kiện tối ưu cân bằng giữa tốc độ, năng suất, an toàn và chi phí (ví dụ: quá trình Haber trong chủ đề 10).

• Tốc độ từ bảng số liệu, độ dốc của đồ thị, và (HT) từ độ dốc tiếp tuyến.
• Giải thích năm yếu tố bằng thuyết va chạm, nêu rõ những gì xảy ra với tần số va chạm và năng lượng.
• Tác dụng của xúc tác lên đường cong năng lượng; không bị tiêu hao; enzyme.
• Mũi tên ⇌; cân bằng như tốc độ bằng nhau; (HT) dự đoán tất cả ba loại thay đổi điều kiện bằng Le Chatelier; giải thích hợp lý các điều kiện tối ưu.