Näide reaktsioonikiirust käsitlevatest küsimustest
Reaktsioonikiirus on keemia põhimõiste, millel on oluline roll erinevates protsessides, nii tööstuslikes kui ka igapäevastes. Selles artiklis selgitame reaktsioonikiiruse mõistet põhjalikult, tuues näiteid ja üksikasjalikke arutelusid, et tagada lugejatele hea arusaamine.
Reaktsioonikiiruse mõistmine
Reaktsioonikiirus on defineeritud kui reagendi või saaduse kontsentratsiooni muutus ajaühikus. Lihtsa võrrandi abil saab reaktsioonikiiruse kirjutada järgmiselt:
\[ \text{Reaktsioonikiirus} = \frac{\Delta \text{[Kontsentratsioon]}}{\Delta t} \]
Kontsentratsiooni mõõdetakse tavaliselt moolides liitri kohta (M) ja aega tavaliselt sekundites (s). Seega on reaktsioonikiiruse ühikud sageli M/s.
Reaktsioonikiirust mõjutavad tegurid
Järgnevalt on toodud mõned tegurid, mis mõjutavad reaktsioonikiirust:
1. Reagentide kontsentratsioon: Reagentide kontsentratsiooni suurendamine suurendab tavaliselt reaktsioonikiirust.
2. Temperatuur: Temperatuuri tõus kiirendab tavaliselt reaktsioonikiirust.
3. Pindala: mida suurem on pindala, seda kiirem on reaktsioonikiirus.
4. Katalüsaator: Katalüsaatorid kiirendavad reaktsioonikiirust ilma püsivaid muutusi läbimata.
5. Rõhk: Gaasidega seotud reaktsioonide puhul suurendab rõhu suurendamine tavaliselt reaktsioonikiirust.
Näidisküsimused ja arutelu
Näidisküsimus 1
Naatriumtiosulfaadi (Na2S2O3) ja vesinikkloriidhappe (HCl) vaheline reaktsioon on järgmine:
\[ \text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3 + 2 \text{HCl} \rightarrow 2 \text{NaCl} + \text{S} + \text{SO}_2 + \text{H}_2\text{O} \]
Katses muutub naatriumtiosulfaadi kontsentratsioon 30 sekundiga 0,10 M-lt 0,05 M-le. Arvuta keskmine reaktsioonikiirus!
Arutelu
Keskmise reaktsioonikiiruse saab arvutada järgmise valemi abil:
\[ \text{Reaktsioonikiirus} = -\frac{\Delta \text{[Na}_2\text{S}_2\text{O}_3\text{]}}{\Delta t} \]
Asendage antud väärtused valemisse:
\[ \Delta \text{[Na}_2\text{S}_2\text{O}_3\text{]} = 0,05 \text{ M} – 0,10 \text{ M} = -0,05 \text{ M} \]
\[ \Delta t = 30 \text{ s} \]
Seega,
\[ \text{Reaktsioonikiirus} = -\left(\frac{-0,05 \text{ M}}{30 \text{ s}}\right) = \frac{0,05 \text{ M}}{30 \text{ s}} = 0,00167 \text{ M/s} \]
Seega on keskmine reaktsioonikiirus 0,00167 M/s.
Näidisküsimus 2
Reaktsioonis on reaktsioonikiirus antud kiirusvõrrandiga:
\[ \text{Kiirus} = k [A]^m [B]^n \]
Katse tulemusena saadi järgmised andmed:
| Katse | [A] (M) | [B] (M) | Reaktsioonikiirus (M/s) |
|————–|————|———————-|
| 1 | 0.10 | 0.10 | 2.0 × 10^-3 |
| 2 | 0.20 | 0.10 | 8.0 × 10^-3 |
| 3 | 0.10 | 0.20 | 2.0 × 10^-3 |
Määrake reaktsiooniastmed m ja n ning arvutage kiiruskonstandi k väärtus.
Arutelu
Reaktsioonijärjekorra (m) ja (n) määramine:
1. Katsetest 1 ja 2:
\[ \frac{\text{Kiirus}_2}{\text{Kiirus}_1} = \frac{k [A]_2^m [B]_2^n}{k [A]_1^m [B]_1^n} \]
\[ \frac{8.0 \times 10^{-3}}{2.0 \times 10^{-3}} = \frac{(0.20)^m (0.10)^n}{(0.10)^m (0.10)^n} \]
\[4 = (2)^m \]
Seega, (m = 2).
2. Katsetest 1 ja 3:
\[ \frac{\text{Kiirus}_3}{\text{Kiirus}_1} = \frac{k [A]_3^m [B]_3^n}{k [A]_1^m [B]_1^n} \]
\[ \frac{2.0 \times 10^{-3}}{2.0 \times 10^{-3}} = \frac{(0.10)^m (0.20)^n}{(0.10)^m (0.10)^n} \]
\[1 = (2)^n \]
Seega, n = 0.
Seega on reaktsioonijärk A suhtes 2 ja B suhtes 0.
Kiiruskonstandi väärtuse \(k \) arvutamine:
Kasutades 1. katse andmeid:
\[ \text{Kiirus} = k [A]^m [B]^n \]
\[2.0 korda 10^{-3} = k (0.10)^2 (0.10)^0 \]
\[2.0 korda 10^{-3} = k (0.01) \]
\[k = \frac{2.0 \times 10^{-3}}{0.01} \]
\[k = 0.20 \]
Seega kiiruskonstant \(k \) on 0.20 M^{-1} s^{-1}.
Näidisküsimus 3
Keemiline reaktsioon toimub vastavalt järgmisele mehhanismile:
\[ \text{Reaktsioon 1: } \text{A} \rightarrow \text{B} \quad (k_1 = 1.0 \, \text{s}^{-1}) \]
\[ \text{Reaktsioon 2: } \text{B} \rightarrow \text{C} \quad (k_2 = 0.1 \, \text{s}^{-1}) \]
Kui A algkontsentratsioon on 1 M ja B on 0, siis määrake A ja B kontsentratsioonid 5 sekundi pärast.
Arutelu
Reaktsioonikiiruse seadust kasutades saame:
Reaktsioon 1: A-st B-ks
\[ [A] = [A]_0 e^{-k_1 t} \]
\[ [A] = 1 \text{ M} \times e^{-1.0 \text{ s}^{-1} \times 5 \text{ s}} \]
\[ [A] = e^{-5} \tekst{ M} \]
Reaktsioon 2: B-st C-ks
\[ \frac{d[B]}{dt} = k_1 [A] – k_2 [B] \]
\[ \frac{d[B]}{dt} = 1.0 \text{ s}^{-1} \times [A] – 0.1 \text{ s}^{-1} \times [B] \]
Selle diferentsiaalvõrrandi analüütilise või numbrilise lahendi abil (tavaliselt Euleri või Runge-Kutta meetodi abil):
\[ [B] \um 0.316 \tekst{ M} \]
Seega on 5 sekundi pärast A kontsentratsioon umbes \( e^{-5} \text{ M} \) ja B kontsentratsioon umbes 0.316 M.
Järeldus
Reaktsioonikiirus on keemias oluline teema, mis peegeldab kiirust, millega reagentide kontsentratsioonid muutuvad saadusteks. Ülaltoodud näidisülesannetes oleme arutanud, kuidas arvutada keskmist reaktsioonikiirust, määrata reaktsiooni järku ja arvutada reaktsioonikiiruse konstanti. Nende mõistete mõistmine võimaldab meil neid rakendada mitmesugustes praktilistes olukordades nii laboris kui ka tööstusprotsessides.
