Tốc độ phản ứng và chất xúc tác

Pháo hoa bung nở chỉ trong một giây. Trang sách để trên giá phải vài chục năm mới ố vàng. Cả hai đều là phản ứng hoá học, vậy vì sao cái nhanh như chớp, cái chậm như rùa?

1. Tốc độ phản ứng

Tốc độ phản ứng là đại lượng cho biết phản ứng hoá học xảy ra nhanh hay chậm.

Ví dụ 1. Que diêm cháy hết trong vài giây: tốc độ lớn. Miếng táo cắt ra, vài chục phút mới thâm lại: tốc độ nhỏ hơn nhiều.

Ví dụ 2. Thả hai mảnh vỏ trứng vào hai cốc giấm. Cốc nào sủi bọt khí nhiều hơn và vỏ trứng tan hết trước thì phản ứng ở cốc đó nhanh hơn.

Để so sánh tốc độ, ta quan sát:

• chất khí thoát ra nhanh hay chậm;
• kết tủa xuất hiện sớm hay muộn;
• chất ban đầu hết nhanh hay lâu.

2. Bốn yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng

Nồng độ: càng lớn, càng nhanh

• Ấm đun nước bám cặn trắng: đổ giấm đặc vào thì cặn sủi bọt và tan nhanh; giấm pha loãng thì phải chờ lâu hơn hẳn.
• Thợ rèn kéo ống bễ thổi không khí vào lò: nhiều oxygen hơn, than cháy rực lên.

Vì sao? Nồng độ cao thì các hạt ở gần nhau, va chạm với nhau nhiều hơn.

Nhiệt độ: càng cao, càng nhanh

• Mùa hè, cốc sữa để ngoài vài giờ đã chua; cất trong tủ lạnh thì vài ngày vẫn ngon.
• Nồi áp suất nấu ở nhiệt độ cao hơn 100 °C nên thịt nhừ nhanh hơn nồi thường.

Diện tích bề mặt tiếp xúc: càng rộng, càng nhanh

Chất rắn chỉ phản ứng ở bề mặt. Muốn bề mặt rộng hơn, chỉ cần chia nhỏ ra:

• Một khối lập phương cạnh 2 cm có diện tích bề mặt 6 · 2 · 2 = 24 cm². Cắt thành 8 khối cạnh 1 cm: 8 · 6 · 1 · 1 = 48 cm², gấp đôi, dù lượng chất vẫn thế.
• Củi chẻ nhỏ dễ nhóm bếp hơn cả khúc gỗ to.
• Bột mì bay lơ lửng trong nhà máy xay có thể bốc cháy dữ dội, dù cả bao bột mì thì rất khó cháy.

Chất xúc tác

Chất xúc tác là chất làm phản ứng nhanh lên, nhưng sau phản ứng nó vẫn giữ nguyên khối lượng và tính chất hoá học.

• Nhỏ nước oxy già lên vết xước, bọt sủi lên ngay: trong máu có một loại enzyme làm nước oxy già phân huỷ rất nhanh. Enzyme là chất xúc tác của cơ thể sống.
• Trong nhà máy phân đạm, khí nitơ và khí hydrogen gần như không chịu phản ứng với nhau; có thêm sắt làm xúc tác, phản ứng mới đủ nhanh để sản xuất.

Mẹo nhớ bốn yếu tố làm phản ứng nhanh hơn: Nóng – Nhiều – Nhỏ – Xúc (nhiệt độ nóng hơn, nồng độ nhiều hơn, hạt nhỏ hơn, có chất xúc tác). Muốn phản ứng chậm lại (bảo quản thức ăn, chống gỉ) thì làm ngược lại.

Bảng tóm tắt

Lỗi hay gặp

• Cho rằng chất xúc tác bị tiêu hao hoặc là một chất phản ứng. Sau phản ứng, khối lượng và tính chất hoá học của nó không đổi (hình dạng, màu sắc, kích thước hạt thì có thể thay đổi).
• Nhầm "diện tích bề mặt lớn" với "cục to". Cùng một lượng chất, hạt càng nhỏ thì tổng diện tích bề mặt càng lớn.
• Gọi sai tên yếu tố. Tàn lửa bùng cháy trong khí oxygen là do nồng độ oxygen cao, không phải do nhiệt độ.
• Bài này chỉ so sánh định tính (nhanh hơn, chậm hơn), không cần tính toán.

Bài tập theo dạng

Dạng 1: Phản ứng nào nhanh hơn?

Cách làm: tìm dấu hiệu quan sát được (bọt khí, kết tủa, thời gian chất tan hết); dấu hiệu mạnh hơn, sớm hơn thì phản ứng nhanh hơn.

a) Thả hai mảnh kẽm giống nhau vào hai ống nghiệm đựng acid. Ống 1 sủi bọt lăn tăn, sau 10 phút kẽm vẫn còn. Ống 2 sủi bọt mạnh, sau 2 phút kẽm tan hết. Ống nào phản ứng nhanh hơn?

b) Sắp xếp theo tốc độ tăng dần: que diêm cháy, tượng đồng ngả màu xanh, miếng táo cắt bị thâm.

Dạng 2: Yếu tố nào đã thay đổi?

Cách làm: so hai trường hợp, tìm điểm khác nhau, rồi gọi tên yếu tố (nồng độ, nhiệt độ, diện tích bề mặt, chất xúc tác).

a) Thịt để ngăn mát vài ngày là hỏng, để ngăn đá thì giữ được cả tháng.

b) Sợi dây thép to không cháy được trên ngọn lửa bật lửa, nhưng bùi nhùi thép sợi mảnh thì cháy sáng.

c) Trong phòng bệnh có bình oxygen bị rò, một tàn lửa nhỏ cũng có thể bùng thành đám cháy.

Dạng 3: Chất xúc tác và vận dụng

Cách làm: nhớ hai ý: xúc tác làm phản ứng nhanh hơn; sau phản ứng nó còn nguyên.

a) Cho 0,5 g bột xúc tác vào một phản ứng. Phản ứng xong, lọc lấy bột, sấy khô rồi cân lại. Cân chỉ bao nhiêu?

b) Muốn bột bánh mì nhanh nở, nên ủ bột ở chỗ ấm hay chỗ lạnh?

c) Kể ba cách để một mẩu kẽm phản ứng với acid nhanh hơn.

Chuyện bên lề: chiếc bật lửa không cần đá lửa

Năm 1823, nhà hoá học Đức Johann Wolfgang Döbereiner cho một dòng khí hydrogen thổi vào miếng bạch kim (platinum) xốp. Khí lập tức bốc cháy, còn miếng bạch kim thì vẫn nguyên vẹn, dùng lại được mãi. Chỉ ít ngày sau, ông biến phát hiện ấy thành một chiếc bật lửa, rất được ưa chuộng ở châu Âu thời đó.

Mười hai năm sau, năm 1835, nhà hoá học Thuỵ Điển Jöns Jakob Berzelius gom những hiện tượng kì lạ kiểu này lại và đặt cho chúng một cái tên: xúc tác (catalysis).

Ngày nay: phần lớn sản phẩm của ngành hoá chất (phân bón, nhựa, xăng dầu, thuốc men) đều cần đến chất xúc tác ở một khâu nào đó. Trong ống xả ô tô, xe máy cũng có một hộp chứa chất xúc tác (thường là bạch kim) giúp biến khí độc thành khí ít hại hơn. Còn trong cơ thể bạn, hàng nghìn loại enzyme đang làm xúc tác cho các phản ứng mỗi giây.

Trò chơi ở nhà (5 phút): cuộc đua viên đường

Cần: 4 cốc nước, đường viên (hoặc đường phèn), thìa. Hoà tan không phải là phản ứng hoá học, nhưng các yếu tố tác động theo cách rất giống.

1. Cốc 1: nước lạnh + 1 viên đường nguyên. Cốc 2: nước nóng + 1 viên đường nguyên. Viên nào tan trước? (yếu tố nhiệt độ)
2. Cốc 3: nước lạnh + 1 viên đường đã giã nhỏ. So với cốc 1, bên nào tan trước? (yếu tố diện tích bề mặt)
3. Đố nhau: nếu là phản ứng hoá học, còn hai yếu tố nào nữa có thể làm nhanh hơn? (nồng độ, chất xúc tác)