3. Bài 3. Năng lượng hoạt hóa của phản ứng hóa học

Trong ruột non của hầu hết chúng ta đều có enzym lactase, có tác dụng chuyển hóa lactose (còn gọi là đường sữa, C₁₂H₂₂O₁₁) có trong thành phần của sữa và các sản phẩm từ sữa thành đường glocose (C₆H₁₂O₆) và galactose (C₆H₁₂O₆) giúp cơ thể dễ dàng hấp thu; quá trình này đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển và tăng cường miễn dịch cho trẻ nhỏ. Khi cơ thể thiếu hụt loại enzyme này, lactose không được tiêu hóa sẽ bị vi khuẩn lên men, sinh ra khí và gây đau bụng. Enzyme lactase đóng vai trò xúc tác trong quá trình chuyển hóa lactose. Xúc tác ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ chuyển hóa giữa các chất?

Lời giải chi tiết:

Chất xúc tác có vai trò làm giảm năng lượng hoạt hóa để tăng tốc độ phản ứng.

Quan sát Hình 3.1, cho biết số va chạm hiệu quả và khả năng xảy ra phản ứng của chất tham gia thay đổi như thế nào khi giá trị của năng lượng hoạt hóa càng giảm.

Phương pháp giải:

Năng lượng hoạt hóa là năng lượng tối thiểu mà chất phản ứng cẩn phải có để phản ứng có thể xảy ra.

Lời giải chi tiết:

Năng lượng hoạt hóa càng giảm thì số va chạm hiệu quả càng giảm và khả năng xảy ra phản ứng của chất tham gia càng giảm.

Khi năng lượng hoạt hóa giảm đến dưới mức năng lượng tối thiểu thì các chất tham gia phản ứng không tạo ra được các va chạm hiệu quả dẫn đến không hình thành được sản phẩm.

Từ thông tin trong phần Khởi động, khi có chất xúc tác, năng lượng hoạt hóa của phản ứng chuyển hóa lactose tăng hay giảm? Giải thích.

Phương pháp giải:

- Chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng

- Năng lượng hoạt hóa tỉ lệ nghịch với tốc độ phản ứng

Lời giải chi tiết:

Từ thông tin trong phần Khởi động, khi có chất xúc tác làm tăng tốc độ của phản ứng tức là sẽ có nhiều hơn số phân tử chất phản ứng va chạm hiệu quả với nhau dẫn đến năng lượng hoạt hóa giảm.

Khả năng xảy ra của một phản ứng hóa học như thế nào khi năng lượng hoạt hóa của phản ứng rất lớn? Giải thích.

Phương pháp giải:

Năng lượng hoạt hóa tỉ lệ nghịch với khả năng xảy ra phản ứng

Lời giải chi tiết:

Khi năng lượng hoạt hóa của phản ứng rất lớn chứng tỏ các phân tử chất phản ứng va chạm hiệu quả với nhau khó khăn dẫn đến khả năng xảy ra của phản ứng hóa học đó là khó khăn.

Dựa vào phương trình Arrhenius, tốc độ phản ứng thay đổi thế nào khi tăng nhiệt độ của phản ứng?

Phương pháp giải:

- Hằng số tốc độ phản ứng: \(k = A.{e^{\frac{{ - {E_a}}}{{RT}}}}\)

Lời giải chi tiết:

Dựa vào phương trình Arrhenius, tốc độ phản ứng tại thời điểm T₁ là:

\({k_1} = A.{e^{\frac{{ - {E_a}}}{{R{T_1}}}}}\) (1)

Tốc độ phản ứng tại thời điểm T₂ là:

\({k_2} = A.{e^{\frac{{ - {E_a}}}{{R{T_2}}}}}\) (2)

Chia hai vế phương trình (2) cho (1), thu được:

\(\frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = {e^{\frac{{{E_a}}}{R}(\frac{{{T_2} - {T_1}}}{{{T_2}{T_1}}})}}\)

Khi tăng nhiệt độ tức là T₂ > T₁

=> \(\frac{{{E_a}}}{R}(\frac{{{T_2} - {T_1}}}{{{T_2}{T_1}}}) > 0\)

=> \({e^{\frac{{{E_a}}}{R}(\frac{{{T_2} - {T_1}}}{{{T_2}{T_1}}})}}\) > 1

⇒ \(\frac{{{k_2}}}{{{k_1}}}\) > 1 ⇒ Tốc độ phản ứng tăng.

Từ Ví dụ 2, tốc độ phản ứng phân hủy N₂O₅ thay đổi như thế nào khi giảm nhiệt độ về 25^oC? Nhận xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng.

Phương pháp giải:

\(\ln \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = \frac{{{E_a}}}{R}.(\frac{1}{{{T_1}}} - \frac{1}{{{T_2}}})\)

Lời giải chi tiết:

Dựa vào phương trình Arrhenius ta có:

\(\ln \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = \frac{{{E_a}}}{R}.(\frac{1}{{{T_1}}} - \frac{1}{{{T_2}}})\)

=> \(\ln \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = \frac{{103,{{5.10}^3}}}{{8,314}}.(\frac{1}{{45 + 273}} - \frac{1}{{25 + 273}})\)

=> \(\frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = 0,0723\) hay \(\frac{{{k_1}}}{{{k_2}}} = 13,84\)

Vậy khi giảm nhiệt độ về 25^oC thì tốc độ phản ứng giảm 13,84 lần

Một phản ứng có năng lượng hoạt hóa là 24 kJ/mol, so sánh tốc độ phản ứng ở 2 nhiệt độ là 27^oC và 127^oC

Phương pháp giải:

\(\ln \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = \frac{{{E_a}}}{R}.(\frac{1}{{{T_1}}} - \frac{1}{{{T_2}}})\)

Lời giải chi tiết:

Dựa vào phương trình Arrhenius ta có:

\(\ln \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = \frac{{{E_a}}}{R}.(\frac{1}{{{T_1}}} - \frac{1}{{{T_2}}})\)

=> \(\ln \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = \frac{{{{24.10}^3}}}{{8,314}}.(\frac{1}{{27 + 273}} - \frac{1}{{127 + 273}})\)

=> \(\frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = 11,08\)

Vậy khi tăng nhiệt độ từ 27^oC lên 127^oC thì tốc độ phản ứng tăng 11,08 lần

Nhận xét ảnh hưởng của enzyme đối với năng lượng hoạt hóa của phản ứng.

Phương pháp giải:

\(k = A.{e^{\frac{{ - {E_a}}}{{RT}}}}\)

Từ phương trình Arrhenius, tốc độ phản ứng tỉ lệ nghịch với năng lượng hoạt hóa

Lời giải chi tiết:

Enzyme là chất xúc tác sinh học, có vai trò làm tăng tốc độ phản ứng.

Mà theo phương trình Arrhenius, tốc độ phản ứng tăng thì năng lượng hoạt hóa của phản ứng giảm.

Vậy enzyme có vai trò làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng.

Trong công nghiệp hóa chất, người ra sử dụng chất xúc tác để tăng tốc độ của phản ứng, như phản ứng tổng hợp SO₃ từ SO₂ và O₂ dùng xúc tác V₂O₅. Hãy kể tên một số xúc tác cho các phản ứng mà em biết.

Phương pháp giải:

Một số chất xúc tác là: Pt, Fe,…

Lời giải chi tiết:

+ H₂ phản ứng vô cùng chậm với O₂ ở nhiệt độ phòng, nhưng khi thổi khí H₂ qua lưới kim loại platinum (Pt) trong không khí, H₂ có thể bốc cháy. Trong trường hợp này, Pt đóng vai trò làm chất xúc tác cho phản ứng:

2H₂ + O₂ \(\xrightarrow{Pt}\) 2H₂O

+ Trong các nhà máy sản xuất phân đạm người ta thường dùng sắt làm chất xúc tác để tăng tốc độ phản ứng giữa nitrogen (N₂) và hydrogen (H₂)

N₂ + 3H₂ \(\xrightarrow[450-{{500}^{o}}C]{Fe}\) 2NH₃

+ Hỗn hợp bột aluminium và iodine ở nhiệt độ thường không có phản ứng xảy ra, nhưng khi cho thêm một ít nước làm xúc tác, phản ứng xảy ra mãnh liệt, tạo hợp chất aluminium iodine.

2Al + 3I₂ \(\xrightarrow{{{H}_{2}}O}\) 2AlI₃

Tại sao muốn cá, thịt mau mềm, người ta thường chế biến kèm với những lát dứa (thơm) hoặc thêm một ít nước ép của dứa?

Phương pháp giải:

Trong dứa có enzyme bromelain có tác dụng phân giải protein thành chuỗi peptit ngắn hơn

Lời giải chi tiết:

Trong dứa có một loại enzyme tên là enzyme bromelain, enzyme này có tác dụng phân giải protein thành các chuỗi peptit ngắn hơn.

Thịt được cấu tạo chủ yếu bởi protein, khi hầm chung với dứa, enzyme này trong dứa sẽ phân giải protein trong thịt, giúp nhanh mềm và dễ tiêu hóa, hấp thu hơn.

Cho giản đồ năng lượng của các phản ứng:

a) Hãy biểu diễn năng lượng hoạt hóa trên giản đồ năng lượng của phản ứng trong từng trường hợp

b) Giản đồ năng lượng nào biểu diễn ảnh hưởng của chất xúc tác đến năng lượng hoạt hóa của phản ứng?

Lời giải chi tiết:

a) Trong giản đồ (c) E_a’ là năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi không có xúc tác.

E_a là năng lượng hoạt hóa của phản ứng khi có xúc tác.

b) Giản đồ (c) biểu diễn ảnh hưởng của xúc tác đến năng lượng hoạt hóa của phản ứng.

Đường màu xanh là năng lượng hoạt hóa khi không có xúc tác.

Đường màu đỏ là năng lượng hoạt hóa khi có xúc tác.

Cho hằng số tốc độ của một phản ứng là 11 M^-1.s^-1 tại nhiệt độ 345 K và hằng số thực nghiệm Arrhenius là 20M^-1.s^-1. Tính năng lượng hoạt hóa của phản ứng trên.

Phương pháp giải:

- Hằng số tốc độ phản ứng: \(k = A.{e^{\frac{{ - {E_a}}}{{RT}}}}\)

Lời giải chi tiết:

Áp dụng phương trình Arrhenius: \(k = A.{e^{\frac{{ - {E_a}}}{{RT}}}}\)

=> \(11 = 20.{e^{\frac{{ - {E_a}}}{{8,314.345}}}}\)

=> E_a = 1715 kJ/mol

Tìm hằng số tốc độ phản ứng k ở 273 K của phản ứng phân hủy

N₂O₅ (g) → N₂O₄(g) + ½ O₂(g)

Biết rằng ở 300 K, năng lượng hoạt hóa là 111 kJ/mol và hằng số tốc độ phản ứng là 10^-10s^-1

Phương pháp giải:

\(\ln \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = \frac{{{E_a}}}{R}.(\frac{1}{{{T_1}}} - \frac{1}{{{T_2}}})\)

Lời giải chi tiết:

Áp dụng phương trình Arrhenius viết lại cho hai nhiệt độ

T₁ = 300K; T₂ = 273K ứng với hai hằng số tốc độ k₁ = 10^-10s^-1; k₂ = ?

\(\ln \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = \frac{{{E_a}}}{R}.(\frac{1}{{{T_1}}} - \frac{1}{{{T_2}}})\)

=> \(\ln \frac{{{k_2}}}{{{{10}^{ - 10}}}} = \frac{{{{111.10}^3}}}{{8,314}}.(\frac{1}{{300}} - \frac{1}{{273}})\)

=> k₂ = 1,23.10^-12s^-1

Vậy hằng số tốc độ phản ứng ở 273 K của phản ứng phân hủy là k₂ = 1,23.10^-12 s^-1

Phản ứng tổng hợp SO₃ trong dây chuyền sản xuất sulfuric acid:

2SO₂(g) + O₂(g) → 2SO₃(g)

Tốc độ phản ứng thay đổi như thế nào khi tăng nhiệt độ từ 350^oC lên 450^oC. Biết năng lượng hoạt hóa của phản ứng là 314 kJ/mol

Phương pháp giải:

\(\ln \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = \frac{{{E_a}}}{R}.(\frac{1}{{{T_1}}} - \frac{1}{{{T_2}}})\)

Lời giải chi tiết:

Áp dụng phương trình Arrhenius theo nhiệt độ:

\(\ln \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = \frac{{{E_a}}}{R}.(\frac{1}{{{T_1}}} - \frac{1}{{{T_2}}})\)

Thay số vào ta được:

\(\ln \frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = \frac{{{{314.10}^3}}}{{8,314}}.(\frac{1}{{350 + 273}} - \frac{1}{{450 + 273}})\)

=> \(\frac{{{k_2}}}{{{k_1}}} = 4380,03\)

Vậy khi tăng nhiệt độ từ 350^oC lên 450^oC thì tốc độ phản ứng tăng 4380,03 lần