Bài tập Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học có đáp án

Phát biểu (2) và (3) là đúng.

Cần phải cung cấp năng lượng cho hòn bi thì quá trình lăn sang mới xảy ra.

Và hàng rào Ea càng thấp thì hòn bi càng dễ lăn qua.

Cụ thể: Để “hòn bi hóa học” lăn được sang phải, cần cung cấp năng lượng tối thiểu bằng chiều cao hàng rào năng lượng Ea để đẩy “hòn bi hóa học” lên tới đỉnh hàng rào.

a) Trường hợp ứng với năng lượng hoạt hóa Ea (2) thì phản ứng xảy ra với tốc độ lớn hơn.

Với cùng một phản ứng, Ea càng nhỏ thì tốc độ phản ứng càng cao do càng nhiều nguyên tử hoặc phân tử đạt tới năng lượng này, tức là có càng nhiều va chạm hiệu quả xảy ra.

b) Nếu ∆rH rất âm nhưng phản ứng lại có Ea rất lớn thì phản ứng này cũng không dễ dàng xảy ra. Vì phản ứng không vượt qua được đỉnh năng lượng để tự xảy ra.

Áp dụng phương trình Arrhenius ta có:

${k}_{1\ }\ =A{e}^{\frac{-{E}_{a}(1)}{RT}}$ (3)

${k}_{2\ }\ =A{e}^{\frac{-{E}_{a}(2)}{RT}}$ (4)

Chia vế hai phương trình (4) cho (3), thu được: $\frac{{k}_{2}}{{k}_{1}}={e}^{\frac{{E}_{a}(1)-{E}_{a}(2)}{RT}}$ (5)

Thay số vào (5) ta được: $\frac{{k}_{2}}{{k}_{1}}={e}^{\frac{(100-150){.10}^{3}}{8{,}314.298}}$ = 1,72.10-9

⇔ $\frac{{k}_{1}}{{k}_{2}}={5{,}81.10}^{8}$

Vậy khi năng lượng hoạt hóa tăng 50 kJ mol-1 thì tốc độ phản ứng giảm đi 581 triệu lần.

Thay Ea = 50 kJ mol-1 ; T1 = 298; T2 = 308 vào phương trình 7 ta có:

$\frac{{k}_{2}}{{k}_{1}}={e}^{\frac{{50.10}^{3}}{8{,}314}.(\frac{308-298}{308.298})}$ = 1,93

Vậy nếu Ea = 50 kJ mol-1 thì tốc độ phản ứng tăng 1,93 lần

Theo Van’t Hoff với đa số các phản ứng, khi nhiệt độ tăng 10oC thì tốc độ phản ứng tăng từ 2 – 4 lần. Hệ số nhiệt độ Van’t Hoff là γ = 2 – 4

Kết quả ở ví dụ 2 phù hợp với hệ số Van’t Hoff về sự thay đổi tốc độ phản ứng theo nhiệt độ

Đối với một phản ứng, năng lượng hoạt hóa Ea càng nhỏ thì tốc độ phản ứng càng cao.

Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng

⇒ Chất xúc tác làm giảm năng lượng hóa hóa của phản ứng.

- Trong lĩnh vực sản xuất hóa chất, người ta thường sử dụng chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng hóa học, làm cho quá trình sản xuất đạt năng suất cao.

Ví dụ:

+ Trong các nhà máy sản xuất phân đạm người ta thường dùng sắt làm chất xúc tác để tăng vận tốc phản ứng giữa nitrogen (N2) và hydrogen (H2), nhờ đó N2 và H2 trong hỗn hợp dễ tạo thành ammonia (NH3). Nếu không có chất xúc tác thì trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, phản ứng tổng hợp ammonia sẽ xảy ra với tốc độ rất chậm, không thể tiến hành sản xuất với lượng lớn.

N2 + 3H2 $\rightarrow _{450-{500}^{o}C}^{Fe}$ 2NH3

+ Sử dụng chất xúc tác platinium (Pt), vanadium pentoxide (V2O5) trong quá trình oxi hóa SO2 thành SO3 để sản xuất sulfuric acid (H2SO4)

2SO2 + O2 $\rightarrow _{450-{500}^{o}C}^{{V}_{2}{O}_{5}}$2SO3

- Sử dụng chất xúc tác để sản xuất được sản phẩm theo hướng mong đợi

Ví dụ:

+ Platinium (Pt) dùng làm chất xúc tác cho quá trình oxi hóa ammonia (NH3) thành sản phẩm mong muốn là nitrogen oxide (NO) đển sản xuất nitric acid (HNO3)

4NH3 + 5O2 $\rightarrow _{{800}^{o}C}^{Pt}$ 4NO + 6H2O

Nếu không có xúc Pt thì phản ứng sẽ tạo ra N2

4NH3 + 5O2 $\overset{t^{\circ}}{\rightarrow }$ 2N2 + 6H2O

Theo phương trình Arrhenius ta có:

${k}_{1\ }\ =A{e}^{\frac{-{E}_{a}}{R{T}_{1}}}$ (1)

${k}_{2\ }\ =A{e}^{\frac{-{E}_{a}}{R{T}_{2}}}$ (2)

T1 = 25 + 273 = 298K

T2 = 800 + 273 = 1073K

Chia vế hai phương trình (2) cho (1) ta được

$\frac{{k}_{2}}{{k}_{1}}={e}^{\frac{{E}_{a}}{R}.(\frac{{T}_{2}-{T}_{1}}{{T}_{2}.{T}_{1}})}$= ${e}^{\frac{{114.10}^{3}}{8{,}314}.(\frac{1073-298}{1073.298})}$= 2,7.1014

Vậy tốc độ phản ứng tăng 2,7.1014 lần khi nhiệt độ tăng từ 25oC đến 800oC.

a) Theo phương trình Arrhenius ta có:

${k}_{1\ }\ =A{e}^{\frac{-{E}_{a}}{R{T}_{1}}}$ (1)

${k}_{2\ }\ =A{e}^{\frac{-{E}_{a}}{R{T}_{2}}}$ (2)

T$_{1}$ = 25 + 273 = 298K

T$_{2}$ = 450 + 273 = 723K

Chia vế hai phương trình (2) cho (1) ta được

$\frac{{k}_{2}}{{k}_{1}}={e}^{\frac{{E}_{a}}{R}.(\frac{{T}_{2}-{T}_{1}}{{T}_{2}.{T}_{1}})}$= ${e}^{\frac{{314.10}^{3}}{8{,}314}.(\frac{723-298}{723.298})}$= 2,26.10$^{32}$

Vậy tốc độ phản ứng tăng 2,26.10$^{32}$lần khi nhiệt độ tăng từ 25$^{o}$C đến 450$^{o}$C.

b) Áp dụng phương trình Arrhenius ta có:

${k}_{1\ }\ =A{e}^{\frac{-{E}_{a}(1)}{RT}}$ (3)

${k}_{2\ }\ =A{e}^{\frac{-{E}_{a}(2)}{RT}}$ (4)

Chia vế hai phương trình (4) cho (3), thu được: $\frac{{k}_{2}}{{k}_{1}}={e}^{\frac{{E}_{a}(1)-{E}_{a}(2)}{RT}}$ (5)

Thay số vào (5) ta được: $\frac{{k}_{2}}{{k}_{1}}={e}^{\frac{(314-84){.10}^{3}}{8{,}314.723}}$ = 4,14.10$^{16}$

Vậy khi thêm chất xúc tác thì tốc độ phản ứng tăng 4,14.10$^{16}$lần.

a) Tốc độ phản ứng ở thí nghiệm 1 nhanh hơn. Vì đá vôi dạng bột thì diện tích bề mặt tiếp xúc với các phân tử HCl lớn hơn dẫn đến tốc độ phản ứng nhanh hơn.

b) Năng lượng hoạt hóa của hai phản ứng là bằng nhau vì diện tích bền mặt không ảnh hưởng đến năng lượng hoạt hóa.

Theo phương trình Arrhenius ta có:

${k}_{1\ }\ =A{e}^{\frac{-{E}_{a}}{R{T}_{1}}}$ (1)

${k}_{2\ }\ =A{e}^{\frac{-{E}_{a}}{R{T}_{2}}}$ (2)

T1 = 300 + 273 = 573K

T2 = 475 + 273 = 748K

Chia vế hai phương trình (2) cho (1) ta được

$\frac{{k}_{2}}{{k}_{1}}={e}^{\frac{{E}_{a}}{R}.(\frac{{T}_{2}-{T}_{1}}{{T}_{2}.{T}_{1}})}$= ${e}^{\frac{{35.10}^{3}}{8{,}314}.(\frac{748-573}{748.573})}$= 5,58

Vậy khi có xúc tác Pd tốc độ phản ứng tăng 5,58 lần khi nhiệt độ thay đổi tù 300 K lên 475 K

Theo phương trình Arrhenius ta có:

${k}_{\ }\ =A{e}^{\frac{-{E}_{a}}{RT}}$ (1)

Trong đó A là hằng số cho một phản ứng xác định.

Hai phản ứng có cùng Ea, diễn ra ở cùng nhiệt độ tuy nhiên hằng số A của hai phản ứng là khác nhau ⇒ Tốc độ k khác nhau.