Քիմիական կինետիկայի վերաբերյալ հարցերի օրինակներ

Քիմիական կինետիկայի քննարկման հարցերի օրինակ

Քիմիական կինետիկան քիմիայի մի ճյուղ է, որն ուսումնասիրում է քիմիական ռեակցիաների արագությունները և դրանց վրա ազդող գործոնները: Քիմիական կինետիկայի խորը ըմբռնումը կարևոր է քիմիական գիտնականների և ինժեներների համար՝ արդյունավետ արդյունաբերական գործընթացներ մշակելու և կենդանի օրգանիզմներում տեղի ունեցող տարբեր կենսաքիմիական ռեակցիաները հասկանալու համար: Այս հոդվածում կքննարկվեն քիմիական կինետիկայի հետ կապված մի քանի օրինակելի խնդիրներ և դրանց լուծումներ՝ այս թեմայի ավելի խորը ըմբռնում ապահովելու համար:

Օրինակ՝ հարց 1. Ռեակցիայի կարգի որոշում

Հարց՝
Ռեակցիան ունի հետևյալ ընդհանուր արագության հավասարումը.
\[ R = k[A]^m[B]^n \]

Որտեղ՝
– ≤(R)-ն ռեակցիայի արագությունն է,
– \(k)-ն արագության հաստատունն է,
– \([A] \) և \([B] \) ռեակտիվների A և B կոնցենտրացիաներն են,
– \(m\)-ը և \(n\)-ը ռեակցիաների կարգերն են A-ի և B-ի նկատմամբ։

Հայտնի է, որ փորձը կատարվել է հետևյալ կոնցենտրացիայի տատանումներով.

| Փորձ | \([A]\) (մոլ/լ) | \([B]\) (մոլ/լ) | Ռեակցիայի արագություն (մոլ/(Լվ)) |
|————–|——————-|———————–|—————————|
| 1 | 0,10 | 0,20 | 0,030 |
| 2 | 0,10 | 0,40 | 0,060 |
| 3 | 0,20 | 0,20 | 0,120 |

Որոշեք ռեակցիայի կարգը A-ի և B-ի նկատմամբ և արագության հաստատունի (k) արժեքը։

Քննարկում.
A և B նյութերի նկատմամբ ռեակցիայի կարգը որոշելու համար մենք պետք է համեմատենք ռեակցիայի արագությունները տարբեր կոնցենտրացիաների տատանումների դեպքում։

Նախ, մենք որոշում ենք ռեակցիայի կարգը B-ի նկատմամբ՝ համեմատելով 1-ին և 2-րդ փորձերը։
\[ \frac{\text{R2}}{\text{R1}} = \frac{k[A]^m [B_2]^n}{k[A]^m [B_1]^n} \]
\[ \frac{0,060}{0,030} = \frac{[0,10]^m [0,40]^n}{[0,10]^m [0,20]^n} \]
\[ 2 = \left(\frac{0,40}{0,20}\right)^n \]
\[ 2 = 2^n \]
\[ n = 1 \]

B-ի նկատմամբ ռեակցիայի կարգը 1 է։

Հաջորդը, մենք որոշում ենք ռեակցիայի կարգը A-ի նկատմամբ՝ համեմատելով 1-ին և 3-րդ փորձերը։
\[ \frac{\text{R3}}{\text{R1}} = \frac{k[A_3]^m [B]^n}{k[A_1]^m [B]^n} \]
\[ \frac{0,120}{0,030} = \frac{[0,20]^m [0,20]^n}{[0,10]^m [0,20]^n} \]
\[ 4 = \left(\frac{0,20}{0,10}\right)^m \]
\[ 4 = 2^մ \]
\[ մ = 2 \]

A-ի նկատմամբ ռեակցիայի կարգը 2 է։

Այսպիսով, ռեակցիայի արագության հավասարումը հետևյալն է.
\[ R = k[A]^2[B] \]

Հիմա մենք գտնում ենք արագության հաստատունի (k) արժեքը։ Օգտագործեք փորձ 1-ի տվյալները։
\[ 0,030 = k[0,10]^2[0,20] \]
\[ 0,030 = k \times 0,01 \times 0,20 \]
\[ 0,030 = k \times 0,002 \]
\[ k = \frac{0,030}{0,002} \]
k = 15 \\L^2/(\\mol^2 \\cdot \\s)\]

Այսպիսով, արագության հաստատունը (k) 15 լ²/(մոլ²·վ) է։

Հարց 2-ի օրինակ. Երկրորդ կարգի ռեակցիայի կիսատրոհման պարբերությունը

Հարց՝
Տրված է երկրորդ կարգի ռեակցիա՝ արագության հավասարմամբ՝
\[ R = k[A]^2 \]
Ռեակցիայի արագության հաստատունը (\(k\)) 0,5 լ/(մոլ·վ) է։ Եթե ռեակտիվ նյութի \([A]_0\) սկզբնական կոնցենտրացիան 1 մոլ/լ է, գտեք ռեակցիայի կիսատրոհման պարբերությունը։

Քննարկում.
Երկրորդ կարգի ռեակցիաների համար կիսատրոհման պարբերությունը (\( t_{1/2} \)) կարելի է հաշվարկել հետևյալ հավասարման միջոցով՝
\[ t_{1/2} = \frac{1}{k[A]_0} \]

Փոխարինեք հայտնի արժեքները՝
\[ t_{1/2} = \frac{1}{0,5 \times 1} \]
\[ t_{1/2} = \frac{1}{0,5} \]
t_{1/2} = 2 \ տեքստ{s} \]

Այսպիսով, 0,5 լ/(մոլ·վ) արագության հաստատունով և 1 մոլ/լ սկզբնական ռեակտիվի կոնցենտրացիայով երկրորդ կարգի ռեակցիայի կիսատրոհման պարբերությունը 2 վայրկյան է։

Օրինակ՝ հարց 3. Ակտիվացման էներգիան՝ Արենիուսի հավասարման միջոցով

Հարց՝
Ռեակցիան երկու տարբեր ջերմաստիճաններում ունի երկու տարբեր արագության հաստատուններ՝
– 300 Կ ջերմաստիճանում արագության հաստատունը (\(k_1 \)) կազմում է 0,2 լ/(մոլ·վ)
– 350 Կ ջերմաստիճանում արագության հաստատունը (\(k_2 \)) կազմում է 0,4 լ/(մոլ·վ)

Որոշեք ռեակցիայի ակտիվացման էներգիան (\(E_a \))՝ օգտագործելով Արենիուսի հավասարումը։
\[ k = A e^{-E_a/(RT)} \]

Քննարկում.
Արենիուսի հավասարումը լոգարիթմական տեսքով կարող է գրվել հետևյալ կերպ՝
\[ \ln k = \ln A – \frac{E_a}{RT} \]

Մենք կարող ենք օգտագործել երկու արագության հաստատունի տվյալներ երկու տարբեր ջերմաստիճաններում՝ E_a-ն որոշելու համար։
Եկեք գրենք երկու հավասարում այս երկու պայմանների համար՝
\[ \ln k_1 = \ln A – \frac{E_a}{R \cdot T_1} \]
\[ \ln k_2 = \ln A – \frac{E_a}{R \cdot T_2} \]

Այս երկու հավասարումները հանելով՝
\[ \ln k_2 – \ln k_1 = \left(\ln A – \frac{E_a}{R \cdot T_2}\right) – \left(\ln A – \frac{E_a}{R \cdot T_1}\right) \]
\[ \ln (\frac{k_2}{k_1}\right) = -\frac{E_a}{R} \left(\frac{1}{T_2} – \frac{1}{T_1}\right) \]

Փոխարինեք \(k_1\), \(k_2\), \(T_1\) և \(T_2\) արժեքները՝
\[ \ln (\frac{0,4}{0,2}\right) = -\frac{E_a}{8,314} \left(\frac{1}{350} – \frac{1}{300}\right) \]
\[ \ln (2) = -\frac{E_a}{8,314} \left(\frac{1}{350} – \frac{1}{300}\right) \]
\[ 0,693 = -\frac{E_a}{8,314} \left(\frac{300 – 350}{350 \cdot 300}\right) \]
\[ 0,693 = -\frac{E_a}{8,314} \left(\frac{-50}{105000}\right) \]
\[ 0,693 = \frac{E_a}{8,314} \left(\frac{1}{2100}\right) \]
\[ 0,693 = \frac{E_a}{17462850/2100} \]
\[ 0,693 = \frac{E_a}{8314} \]
\[ E_a = 0,693 \times 8314 \]
\[ E_a = 5761,842 \ \text{Ջ/մոլ} \]

Այսպիսով, ռեակցիայի ակտիվացման էներգիան (\(E_a \)) կազմում է մոտ 5761,842 Ջ/մոլ կամ մոտ 5,76 կՋ/մոլ։

-

Քիմիական կինետիկայի իմացությունը և նման խնդիրների քննարկման ըմբռնումը կարևորագույն նշանակություն ունեն տարբեր ոլորտներում, մասնավորապես քիմիական արդյունաբերության և գիտական ​​հետազոտությունների մեջ: Վերը նշված օրինակելի խնդիրը հնարավորություն է տալիս հասկանալ ռեակցիայի կարգը, կիսատրոհման պարբերությունը և ակտիվացման էներգիան որոշելու մեթոդները, որոնք կարևոր են տեխնոլոգիական զարգացման և քիմիական ռեակցիաների մեխանիզմների ավելի խորը ըմբռնման համար: