რეაქციის სიჩქარის განხილვის კითხვების მაგალითი
რეაქციის სიჩქარე ქიმიის ფუნდამენტური ცნებაა, რომელიც გადამწყვეტ როლს ასრულებს სხვადასხვა პროცესში, როგორც სამრეწველო, ასევე ყოველდღიურ ცხოვრებაში. ამ სტატიაში ჩვენ დეტალურად განვმარტავთ რეაქციის სიჩქარის კონცეფციას, მაგალითებითა და დეტალური განხილვებით, რათა მკითხველმა კარგად გაიგოს იგი.
რეაქციის სიჩქარის გაგება
რეაქციის სიჩქარე განისაზღვრება, როგორც რეაქტიანტის ან პროდუქტის კონცენტრაციის ცვლილება დროის ერთეულზე. მარტივი განტოლების სახით, რეაქციის სიჩქარე შეიძლება ჩაიწეროს შემდეგნაირად:
რეაქციის სიჩქარე = \frac{\დელტა \text{[კონცენტრაცია]}}{\დელტა t} \]
კონცენტრაცია, როგორც წესი, იზომება მოლებში ლიტრზე (M), ხოლო დრო - წამებში (s). ამრიგად, რეაქციის სიჩქარის ერთეულები ხშირად M/s-ია.
რეაქციის სიჩქარეზე მოქმედი ფაქტორები
ქვემოთ მოცემულია რამდენიმე ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს რეაქციის სიჩქარეზე:
1. რეაქტანტების კონცენტრაცია: რეაქტანტების კონცენტრაციის გაზრდა, როგორც წესი, ზრდის რეაქციის სიჩქარეს.
2. ტემპერატურა: ტემპერატურის მატება, როგორც წესი, აჩქარებს რეაქციის სიჩქარეს.
3. ზედაპირის ფართობი: რაც უფრო მეტია ხელმისაწვდომი ზედაპირის ფართობი, მით უფრო სწრაფია რეაქციის სიჩქარე.
4. კატალიზატორი: კატალიზატორები აჩქარებენ რეაქციის სიჩქარეს მუდმივი ცვლილებების გარეშე.
5. წნევა: აირების შემცველი რეაქციების დროს, წნევის გაზრდა, როგორც წესი, ზრდის რეაქციის სიჩქარეს.
ნიმუშის კითხვები და დისკუსია
მაგალითი კითხვა 1
ნატრიუმის თიოსულფატს (Na2S2O3) და მარილმჟავას (HCl) შორის რეაქცია შემდეგია:
\[ \text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3 + 2 \text{HCl} \rightarrow 2 \text{NaCl} + \text{S} + \text{SO}_2 + \text{H}_2\text{O} \]
ექსპერიმენტში, ნატრიუმის თიოსულფატის კონცენტრაცია 30 წამში იცვლება 0,10 M-დან 0,05 M-მდე. გამოთვალეთ საშუალო რეაქციის სიჩქარე!
დისკუსია
საშუალო რეაქციის სიჩქარე შეიძლება გამოითვალოს ფორმულის გამოყენებით:
რეაქციის სიჩქარე = -\frac{\დელტა\text{[Na}_2\text{S}_2\text{O}_3\text{]}}{\დელტა t} \]
მოცემული მნიშვნელობები ჩაანაცვლეთ ფორმულაში:
\[ \დელტა \text{[Na}_2\text{S}_2\text{O}_3\text{]} = 0,05 \text{M} – 0,10 \text{M} = -0,05 \text{M} \]
\[ \დელტა t = 30 \text{s} \]
ასე რომ,
რეაქციის სიჩქარე = -(-0,05 M) = 30 s) = 0,05 M = 30 s = 0,00167 M/s]
ასე რომ, რეაქციის საშუალო სიჩქარეა 0,00167 მ/წმ.
მაგალითი კითხვა 2
რეაქციაში, რეაქციის სიჩქარე მოცემულია სიჩქარის განტოლებით:
\[ \text{სიჩქარე} = k [A]^m [B]^n \]
ექსპერიმენტიდან მიღებული იქნა შემდეგი მონაცემები:
| ექსპერიმენტი | [A] (M) | [B] (M) | რეაქციის სიჩქარე (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 |
განსაზღვრეთ რეაქციის რიგი m და n და გამოთვალეთ სიჩქარის მუდმივას, k, მნიშვნელობა.
დისკუსია
რეაქციის თანმიმდევრობის განსაზღვრა (m) და (n):
1. ექსპერიმენტებიდან 1 და 2:
\[ \frac{\text{სიჩქარე}_2}{\text{სიჩქარე}_1} = \frac{k [A]_2^m [B]_2^n}{k [A]_1^m [B]_1^n} \]
\[ \frac{8.0 \times 10^{-3}}{2.0 \times 10^{-3}} = \frac{(0.20)^m (0.10)^n}{(0.10)^m (0.10)^n} \]
\[ 4 = (2)^m \]
ამგვარად, \(m = 2 \).
2. ექსპერიმენტებიდან 1 და 3:
\[ \frac{\text{სიჩქარე}_3}{\text{სიჩქარე}_1} = \frac{k [A]_3^m [B]_3^n}{k [A]_1^m [B]_1^n} \]
\[ \frac{2.0 \times 10^{-3}}{2.0 \times 10^{-3}} = \frac{(0.10)^m (0.20)^n}{(0.10)^m (0.10)^n} \]
\[ 1 = (2)^n \]
ამგვარად, \(n = 0 \).
ამგვარად, A-ს მიმართ რეაქციის რიგი არის 2, ხოლო B-ს მიმართ - 0.
სიჩქარის მუდმივის მნიშვნელობის (k) გამოთვლა:
ექსპერიმენტი 1-ის მონაცემების გამოყენებით:
\[ \text{სიჩქარე} = k [A]^m [B]^n \]
\[ 2.0 \times 10^{-3} = k (0.10)^2 (0.10)^0 \]
\[ 2.0 \times 10^{-3} = k (0.01) \]
\[ k = \frac{2.0 \times 10^{-3}}{0.01} \]
\[ კ = 0.20 \]
ამგვარად, სიჩქარის მუდმივა (k) 0.20 M^{-1} s^{-1}-ის ტოლია.
მაგალითი კითხვა 3
ქიმიური რეაქცია შემდეგ მექანიზმს მიჰყვება:
რეაქცია 1: } A = B = quad (k_1 = 1.0, s^-1)
რეაქცია 2: } B = C = quad (k_2 = 0.1, s^-1)
თუ თავდაპირველად A-ს კონცენტრაცია 1 M-ია, ხოლო B-ს 0, განსაზღვრეთ A-ს და B-ს კონცენტრაცია 5 წამის შემდეგ.
დისკუსია
რეაქციის სიჩქარის კანონის გამოყენებით, ჩვენ გვაქვს:
რეაქცია 1: A-დან B-მდე
\[ [A] = [A]_0 e^{-k_1 t} \]
\[ [A] = 1 M \times e^{-1.0 \times s}^{-1} \times 5 \times s}} \]
\[ [A] = e^{-5} \text{ M} \]
რეაქცია 2: B-დან C-მდე
\[ \frac{d[B]}{dt} = k_1 [A] – k_2 [B] \]
\[ \frac{d[B]}{dt} = 1.0 \text{s}^{-1} \times [A] – 0.1 \text{s}^{-1} \times [B] \]
ამ დიფერენციალური განტოლების ანალიტიკური ან რიცხვითი ამონახსნის გამოყენებით (ჩვეულებრივ, ეილერის ან რუნგე-კუტას მეთოდი):
\[ [B] \დაახლოებით 0.316 \text{ M} \]
ამგვარად, 5 წამის შემდეგ, A-ს კონცენტრაცია დაახლოებით \(e^{-5} \text{M} \)-ია, ხოლო B-ს კონცენტრაცია დაახლოებით 0.316 M-ია.
დასკვნა
რეაქციის სიჩქარე ქიმიაში მნიშვნელოვანი თემაა, რომელიც ასახავს რეაქტანტების კონცენტრაციის პროდუქტებად გადაქცევის სიჩქარეს. ზემოთ მოცემულ მაგალითებში განვიხილეთ, თუ როგორ გამოვთვალოთ საშუალო რეაქციის სიჩქარე, განვსაზღვროთ რეაქციის თანმიმდევრობა და გამოვთვალოთ რეაქციის სიჩქარის მუდმივა. ამ კონცეფციების გაგება საშუალებას გვაძლევს გამოვიყენოთ ისინი სხვადასხვა პრაქტიკულ სიტუაციაში, როგორც ლაბორატორიაში, ასევე სამრეწველო პროცესებში.
