phân tích cơ chế của 1 phản ứng hóa học phức tạp, tính toán các thông số động học và cân bằng.

Dưới đây là một ví dụ về phân tích cơ chế của một phản ứng hóa học phức tạp, bao gồm:

• Cơ chế phản ứng
• Tính toán thông số động học (hằng số tốc độ, bậc phản ứng…)
• Cân bằng hóa học (hằng số cân bằng, liên hệ với động học)

🔬 Ví dụ phản ứng: Sự tạo thành este từ axit axetic và etanol

Phản ứng:

CH3COOH+CH3CH2OH⇌CH3COOCH2CH3+H2O\text{CH}_3\text{COOH} + \text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH} \rightleftharpoons \text{CH}_3\text{COOCH}_2\text{CH}_3 + \text{H}_2\text{O}(Axit axetic + Etanol ⇌ Etyl axetat + Nước)

I. 🔁 Cơ chế phản ứng

Phản ứng tạo este là phản ứng cân bằng thuận nghịch, xúc tác bởi acid (H⁺), gồm các bước sau:

🌟 Các bước cơ chế (trong môi trường acid):

1. Proton hóa nhóm C=O:

• C=O bị H⁺ tấn công → làm cho cacbon trở nên điện dương hơn.

1. Nucleophile tấn công:

• Nhóm OH từ rượu (etanol) tấn công vào cacbon C=O → tạo trung gian tetrahedral.

1. Chuyển proton nội phân tử:

• H+ di chuyển trong phân tử giúp ổn định cấu trúc.

1. Tách nhóm OH từ acid:

• Tạo ra nước và este → khôi phục xúc tác.

➡️ Cơ chế là phản ứng SN2 có xúc tác acid, gồm 4 bước trung gian, với phức trung gian và trạng thái chuyển tiếp.

II. ⚙️ Động học phản ứng

Giả sử phản ứng thực hiện ở nhiệt độ không đổi, với H⁺ làm xúc tác không đổi, ta có:

🎯 Phương trình tốc độ:

• v=k[CH3COOH][CH3CH2OH]v = k[\text{CH}_3\text{COOH}][\text{CH}_3\text{CH}_2\text{OH}]Phản ứng bậc hai (bậc 1 theo mỗi chất phản ứng).
• Hằng số tốc độ: phụ thuộc nhiệt độ, chất xúc tác.

🔢 Ví dụ tính toán:

Giả sử:

• [CH3COOH]0=0.5 mol/L[CH_3COOH]_0 = 0.5 \text{ mol/L}
• [CH3CH2OH]0=0.5 mol/L[CH_3CH_2OH]_0 = 0.5 \text{ mol/L}
• Sau 1 phút: 20% axit phản ứng
• v=Δ[CH3COOH]Δt=0.160=1.67×10−3 mol/L\cdotpsv = \frac{\Delta [\text{CH}_3COOH]}{\Delta t} = \frac{0.1}{60} = 1.67 \times 10^{-3} \text{ mol/L·s}

→ Thay vào:

1.67×10−3=k(0.5)(0.5)⇒k=1.67×10−30.25=6.68×10−3 L/mol\cdotps1.67 \times 10^{-3} = k(0.5)(0.5) \Rightarrow k = \frac{1.67 \times 10^{-3}}{0.25} = 6.68 \times 10^{-3} \text{ L/mol·s}III. ⚖️ Cân bằng hóa học

Sau một thời gian dài, phản ứng đạt trạng thái cân bằng với:

Kc=[Este][H2O][Axit][Etanol]K_c = \frac{[\text{Este}][\text{H}_2\text{O}]}{[\text{Axit}][\text{Etanol}]}🔢 Ví dụ:

Ở 25°C, hằng số cân bằng Kc≈4.0K_c \approx 4.0

Nếu ban đầu:

[CH3COOH]0=[CH3CH2OH]0=1.0 mol/L[CH_3COOH]_0 = [CH_3CH_2OH]_0 = 1.0 \text{ mol/L}Gọi xx là lượng axit đã phản ứng tại cân bằng →

• [CH3COOH]=[CH3CH2OH]=1−x[CH_3COOH] = [CH_3CH_2OH] = 1 - x
• [Este]=[H2O]=x[Este] = [H_2O] = x

Thế vào:

Kc=x2(1−x)2=4.0⇒x1−x=2.0⇒x=23K_c = \frac{x^2}{(1 - x)^2} = 4.0 \Rightarrow \frac{x}{1 - x} = 2.0 \Rightarrow x = \frac{2}{3}→ Tại cân bằng:

• [Este]=23[Este] = \frac{2}{3}
• [CH3COOH]=13[CH_3COOH] = \frac{1}{3}

IV. 🔗 Liên hệ giữa động học và cân bằng

Mối quan hệ quan trọng:

Kc=kthuậnknghịchK_c = \frac{k_{\text{thuận}}}{k_{\text{nghịch}}}Từ đó, nếu biết KcK_c và kthuậnk_{\text{thuận}}, ta có thể suy ra hằng số tốc độ phản ứng nghịch:

knghịch=kthuậnKck_{\text{nghịch}} = \frac{k_{\text{thuận}}}{K_c}Ví dụ:

• kthuận=6.68×10−3 L/mol\cdotpsk_{\text{thuận}} = 6.68 \times 10^{-3} \text{ L/mol·s}
• Kc=4.0K_c = 4.0

→

knghịch=6.68×10−34.0=1.67×10−3 L/mol\cdotpsk_{\text{nghịch}} = \frac{6.68 \times 10^{-3}}{4.0} = 1.67 \times 10^{-3} \text{ L/mol·s}📌 Tổng kết

Nội dung Giá trị / Ý nghĩa Cơ chế SN2 có xúc tác H⁺, 4 bước Phương trình tốc độ v=k[A][B]v = k[\text{A}][\text{B}], bậc 2 Hằng số tốc độ kk 6.68×10⁻³ L/mol·s (ở 25°C) Hằng số cân bằng KcK_c 4.0 Quan hệ Kc=kthuậnknghịchK_c = \frac{k_{\text{thuận}}}{k_{\text{nghịch}}}