Урвалын хурдад нөлөөлөх хүчин зүйлсийн талаарх жишээ асуултууд
Химийн урвал гэдэг нь энергийн шилжилт болон энергийн түвшний өөрчлөлтөөр тодорхойлогддог атом эсвэл молекулуудын хувирал юм. Практикт урвалын хурд нь урвалжууд хэр хурдан бүтээгдэхүүн болж хувирдагийг тодорхойлдог. Урвалын хурданд концентраци, температур, даралт (хийн урвалын хувьд), гадаргуугийн талбай, катализаторын оршихуй зэрэг хэд хэдэн хүчин зүйл нөлөөлж болно. Энэ нийтлэлд урвалын хурданд нөлөөлдөг хүчин зүйлүүдтэй холбоотой жишээ асуудлуудыг дэлгэрэнгүй тайлбартайгаар хэлэлцэх болно.
Урвалын хурдад нөлөөлөх хүчин зүйлс
1. Урвалж бодисын концентраци
2. Температур
3. Даралт
4. Гадаргуугийн талбай
5. Катализатор
1. Урвалж бодисын концентраци
Жишээ асуулт 1:
Өгөгдсөн хариу үйлдэл:
А + Б → АБ
Хэрэв [A] = 0,5 M ба [B] = 0,5 M концентраци өгөгдсөн бөгөөд анхны урвалын хурдыг хурд = k[A][B] гэж өгвөл [B] 0,5 M хэвээр байх үед А-ийн концентрацийг 1 M болгон хоёр дахин нэмэгдүүлбэл урвалын хурд хэд болох вэ?
Хэлэлцүүлэг:
Урвалын хурдны томъёо:
\[ \text{Rate} = k[A][B] \]
Анхны ханш:
\[ \text{Rate}_{\text{эхний үсэг}} = k[0,5][0,5] = 0,25k \]
А-ийн концентраци 1 М болоход:
\[ \text{Rate}_{\text{new}} = k[1][0,5] = 0,5k \]
Үнийн харьцуулалт:
\[ \frac{\text{Rate}_{\text{new}}}{\text{Rate}_{\text{initial}}} = \frac{0,5k}{0,25k} = 2 \]
Тиймээс шинэ урвалын хурд нь анхны урвалын хурдаас хоёр дахин их байна.
2. Температур
Жишээ асуулт 2:
Химийн процессын урвалын хурд 300 К-ээс 320 К хүртэл нэмэгдэхэд 0,5 моль/л/с-ээс 2 моль/л/с хүртэл нэмэгддэг гэж нэгэн химич тэмдэглэжээ. Аррениусын хуульд үндэслэн өсөлтийн хүчин зүйл хэд вэ?
Хэлэлцүүлэг:
Аррениусын хуульд дараахь зүйлийг заасан байдаг.
\[ \text{Rate} = Ae^{-\frac{E_a}{RT}} \]
Температурыг нэмэгдүүлэх нь Аррениусын илэрхийлэлд экспоненциал буурахад хүргэдэг тул урвалын хурд нэмэгддэг. Энэ тохиолдолд өсөлтийн коэффициент нь:
\[ \frac{\text{Rate}\ \text{at}\ 320\ K}{\text{Rate}\ \text{at}\ 300\ K} = \frac{2\ моль/л/с}{0,5\ моль/л/с} = 4 \]
Тиймээс урвалын хурдны өсөлтийн коэффициент 4 дахин нэмэгдэнэ.
3. Даралт
Жишээ асуулт 3:
Хийн урвалын хувьд:
\[ \text{2NO}(g) + \text{O}_2(g) → \text{2NO}_2(g) \]
Хэрэв нийт даралтыг тогтмол эзэлхүүнтэй үед 1 атм-аас 2 атм болгон нэмэгдүүлбэл энэ нь урвалын хурданд хэрхэн нөлөөлөх вэ?
Хэлэлцүүлэг:
Хийн урвалд даралт нь концентрацитай шууд пропорциональ байна. Даралтыг нэмэгдүүлэх нь хий бүрийн концентрацийг нэмэгдүүлж, урвалын хурдыг нэмэгдүүлдэг. Даралтыг пропорциональ байдлаар хадгална гэж үзвэл урвалын хурд даралттай хамт нэмэгддэг:
\[ \text{Rate}_{\text{new}} = k[2NO]^2[O_2] \]
Даралт нэмэгдэхийн хэрээр NO ба O2-ийн концентраци тус бүр хоёр дахин нэмэгдэх тул урвалын хурд дараах байдлаар нэмэгдэнэ.
\[ \text{Rate}_{\text{new}} = k[2NO]^2[2O_2] = k(2[NO])^2 (2[O_2]) = 4k[NO]^2[O_2] \]
Тиймээс урвалын хурд 4 дахин нэмэгддэг.
4. Гадаргуугийн талбай
Жишээ асуулт 4:
Хатуу Zn-ийг HCl уусмалд байрлуулахад Zn-ийг нунтаг болгон нунтаглахад Zn баар хэлбэртэй байхаас илүү H2 хий үүсгэх урвал илүү хурдан явагддаг. Яагаад ийм байдаг вэ?
Хэлэлцүүлэг:
Хатуу бөөмсийн гадаргуугийн талбайг нэмэгдүүлэх нь хатуу Zn гадаргуутай мөргөлдөж болох шинэ урвалж молекулуудын тоог нэмэгдүүлдэг. Zn ба HCl-ийн хоорондох урвал нь:
\[ \text{Zn}(s) + 2\text{HCl}(aq) → \text{ZnCl}_2(aq) + \text{H}_2(g) \]
Zn нь нунтаг хэлбэртэй байх үед Zn болон HCl-ийн хоорондох холбоо барих гадаргуу нь бар хэлбэртэй Zn-тэй харьцуулахад илүү том байдаг тул мөргөлдөөний цэгүүдээр дамжуулан урвалын хурд нэмэгддэг.
5. Катализатор
Жишээ асуулт 5:
Устөрөгчийн хэт ислийг катализатортой болон катализаторгүй (манганы давхар исэл, MnO2) задлах урвалын хурдны ялгааг тайлбарлана уу.
\[ \text{2H}_2\text{O}_2(aq) → 2\text{H}_2\text{O}(l) + \text{O}_2(g) \]
Хэлэлцүүлэг:
Катализаторгүй бол устөрөгчийн хэт исэл нь өндөр идэвхжүүлэлтийн энергийн улмаас удаан задалдаг. Гэсэн хэдий ч MnO2 катализаторын тусламжтайгаар идэвхжүүлэлтийн энерги мэдэгдэхүйц буурдаг. MnO2 нь урвалд байнга урвалд ордоггүй, харин идэвхжүүлэлтийн энерги багатай өөр зам (урвалын механизм)-ыг бий болгож, урвалын хурдыг хурдасгадаг.
Катализатортой хамт:
- Шаардлагатай энерги бага байдаг тул урвалын хурд нэмэгддэг.
– Урвалын кинетик өөрчлөгддөг боловч бүтээгдэхүүний гарц хэвээр байна.
Катализаторууд нь урвалын термодинамикийг өөрчлөхгүйгээр үр дүнтэй мөргөлдөөний давтамжийг нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог.
Дүгнэлт
Урвалын хурдад хэд хэдэн хүчин зүйл нөлөөлдөг бөгөөд үүнд урвалж бодисын концентраци, температур, даралт, ялангуяа хийн урвалын үед, хатуу материалын гадаргуугийн талбай, катализаторын оршихуй зэрэг орно. Концентраци нь урвалын хурдтай шууд пропорциональ байна; температур нь урвалж бодисын кинетик энергид нөлөөлдөг; даралт нь хийн концентрациар дамжуулан хийн урвалд нөлөөлдөг; гадаргуугийн талбай мөргөлдөөний талбайд нөлөөлдөг; мөн катализаторууд нь идэвхжүүлэлтийн энергийг бууруулснаар хурдыг хурдасгадаг. Эдгээр хүчин зүйлсийг ойлгох нь янз бүрийн үйлдвэрлэлийн хэрэглээ болон лабораторийн судалгаанд урвалын хурдыг хянахын тулд зайлшгүй шаардлагатай.
