Прыклады пытанняў па абмеркаванні фактараў, якія ўплываюць на хуткасць рэакцыі
Хімічная рэакцыя — гэта пераўтварэнне атамаў або малекул, якое характарызуецца зрухамі энергіі і зменамі энергетычных узроўняў. На практыцы хуткасць рэакцыі апісвае, як хутка рэагенты ператвараюцца ў прадукты. На хуткасць рэакцыі могуць уплываць некалькі фактараў, у тым ліку канцэнтрацыя, тэмпература, ціск (для газавых рэакцый), плошча паверхні і наяўнасць каталізатараў. У гэтым артыкуле будуць разгледжаны прыклады задач, звязаных з фактарамі, якія ўплываюць на хуткасць рэакцыі, з падрабязнымі тлумачэннямі.
Фактары, якія ўплываюць на хуткасць рэакцыі
1. Канцэнтрацыя рэагентаў
2. Тэмпература
3. Ціск
4. Плошча паверхні
5. Каталізатар
1. Канцэнтрацыя рэагентаў
Прыклад пытання 1:
Дадзеная рэакцыя:
А + В → АБ
Калі зададзеныя канцэнтрацыі [A] = 0,5 М і [B] = 0,5 М, а пачатковая хуткасць рэакцыі задаецца як хуткасць = k[A][B]. Якой будзе хуткасць рэакцыі, калі канцэнтрацыю A падвоіць да 1 М, а канцэнтрацыю [B] застанецца на ўзроўні 0,5 М?
Абмеркаванне:
Формула хуткасці рэакцыі:
\[ \text{Хуткасць} = k[A][B] \]
Пачатковая стаўка:
\[ \text{Хуткасць}_{\text{пачатковая}} = k[0,5][0,5] = 0,25k \]
Калі канцэнтрацыя А становіцца 1 М:
\[ \text{Хуткасць}_{\text{новая}} = k[1][0,5] = 0,5k \]
Параўнанне тарыфаў:
\[ \frac{\text{Хуткасць}_{\text{новая}}}{\text{Хуткасць}_{\text{пачатковая}}} = \frac{0,5k}{0,25k} = 2 \]
Такім чынам, новая хуткасць рэакцыі ўдвая перавышае пачатковую хуткасць рэакцыі.
2. Тэмпература
Прыклад пытання 2:
Хімік адзначае, што хуткасць хімічнай рэакцыі павялічваецца з 0,5 моль/л/с да 2 моль/л/с пры павышэнні тэмпературы з 300 К да 320 К. Які каэфіцыент павелічэння, заснаваны на законе Арэніуса?
Абмеркаванне:
Закон Арэніуса сцвярджае, што:
\[ \text{Хуткасць} = Ae^{-\frac{E_a}{RT}} \]
Павышэнне тэмпературы прыводзіць да памяншэння экспаненты ў выразе Арэніуса, таму хуткасць рэакцыі павялічваецца. У гэтым выпадку каэфіцыент павелічэння складае:
\[ \frac{\text{Хуткасць}\ \text{пры}\ 320\ K}{\text{Хуткасць}\ \text{пры}\ 300\ K} = \frac{2\ моль/л/с}{0,5\ моль/л/с} = 4 \]
Такім чынам, хуткасць рэакцыі павялічваецца ў 4 разы.
3. Ціск
Прыклад пытання 3:
Для газавых рэакцый:
\[ \text{2NO}(g) + \text{O}_2(g) → \text{2NO}_2(g) \]
Калі агульны ціск павялічыць з 1 атм да 2 атм пры пастаянным аб'ёме, як гэта паўплывае на хуткасць рэакцыі?
Абмеркаванне:
У газавых рэакцыях ціск прама прапарцыйны канцэнтрацыі. Павелічэнне ціску павялічвае канцэнтрацыю кожнага газу, павялічваючы хуткасць рэакцыі. Калі выказаць здагадку, што ціск падтрымліваецца прапарцыйна, хуткасць рэакцыі павялічваецца з ціскам:
\[ \text{Хуткасць}_{\text{новы}} = k[2NO]^2[O_2] \]
З павелічэннем ціску канцэнтрацыі NO і O2 падвойваюцца, таму хуткасць рэакцыі павялічваецца на:
\[ \text{Хуткасць}_{\text{новы}} = k[2NO]^2[2O_2] = k(2[NO])^2 (2[O_2]) = 4k[NO]^2[O_2] \]
Такім чынам, хуткасць рэакцыі павялічваецца ў 4 разы.
4. Плошча паверхні
Прыклад пытання 4:
Калі цвёрды Zn змяшчаюць у раствор HCl, рэакцыя з утварэннем газападобнага H2 адбываецца хутчэй, калі Zn здрабняецца ў парашок, чым калі ён знаходзіцца ў выглядзе бруска Zn. Чаму так адбываецца?
Абмеркаванне:
Павелічэнне плошчы паверхні цвёрдых часціц павялічвае колькасць новых малекул рэагентаў, якія могуць сутыкацца з паверхняй цвёрдага Zn. Рэакцыя паміж Zn і HCl выглядае наступным чынам:
\[ \text{Zn}(s) + 2\text{HCl}(aq) → \text{ZnCl}_2(aq) + \text{H}_2(g) \]
Калі Zn знаходзіцца ў парашкападобнай форме, паверхня кантакту паміж Zn і HCl большая ў параўнанні з Zn у бруску, што павялічвае хуткасць рэакцыі за кошт большай колькасці месцаў сутыкнення.
5. Каталізатар
Прыклад пытання 5:
Растлумачце розніцу ў хуткасці рэакцый раскладання перакісу вадароду з каталізатарам (дыяксід марганцу, MnO2) і без яго.
\[ \text{2H}_2\text{O}_2(aq) → 2\text{H}_2\text{O}(l) + \text{O}_2(g) \]
Абмеркаванне:
Без каталізатара раскладанне перакісу вадароду адбываецца павольна з-за высокай энергіі актывацыі. Аднак з каталізатарам MnO2 энергія актывацыі значна зніжаецца. MnO2 не рэагуе пастаянна ў рэакцыі, а замест гэтага забяспечвае альтэрнатыўны шлях (механізм рэакцыі) з меншай энергіяй актывацыі, паскараючы хуткасць рэакцыі.
З каталізатарам:
– Хуткасць рэакцыі павялічваецца, таму што патрабуецца менш энергіі.
– Кінетыка рэакцыі змяняецца, але выхад прадукту застаецца ранейшым.
Каталізатары дазваляюць павялічваць эфектыўную частату сутыкненняў без змены тэрмадынамікі рэакцыі.
Выснова
На хуткасць рэакцый уплывае некалькі фактараў, у тым ліку канцэнтрацыя рэагентаў, тэмпература, ціск, асабліва ў газападобных рэакцыях, плошча паверхні ў цвёрдых матэрыялах і прысутнасць каталізатараў. Канцэнтрацыя прама прапарцыйная хуткасці рэакцыі; тэмпература ўплывае на кінетычную энергію рэагентаў; ціск уплывае на газападобныя рэакцыі праз канцэнтрацыю газу; плошча паверхні ўплывае на плошчу сутыкнення; а каталізатары паскараюць хуткасць, зніжаючы энергію актывацыі. Разуменне гэтых фактараў мае важнае значэнне для кантролю хуткасці рэакцый у розных прамысловых прымяненнях і лабараторных даследаваннях.
