t½= 3/(2 k ×Co2); розмірність - м6/(моль2×с))
Задача N103. За кінетичними даними для деякої хімічної реакції, які наведені нижче в таблиці, визначити порядок реакції, розмірність константи швидкості та концентрацію вихідних речовин для того часу, для якого вони не указані в таблиці.
t, хв. 5 7 9 12
C, моль/л 1,00 ? 0,0769 0,0455
(відповідь – порядок 2, С7 хв. = 0,143; розмірність константи швидкості – [л/(моль×с)], в СІ [м3/(моль×с)] )
Подібна задача. . За кінетичними даними для деякої хімічної реакції, які наведені нижче в таблиці, визначити порядок реакції, розмірність константи швидкості та концентрацію вихідних речовин для того часу, для якого вони не указані в таблиці. t, хв. 0 5 10 15 20 25
C, моль/л ? 1,00 0,500 ? 0,125 0,0625
Як уже було сказано вище, константу швидкості хімічної реакції можна визначити тільки експериментально. Це означає, що реакцію потрібно дослідити, тобто поставити експеримент та визначити, як змінюється концентрація одного з компонентів реакції з часом. Результатом такого дослідження, як правило, є таблиця, в якій наведена залежність концентрації однієї з вихідних речовин або продуктів реакції від часу. Ці дані називаються кінетичними даними. Часто кінетичні дані являють собою зміну якоїсь фізичної властивості вихідних речовин або продуктів реакції у міру протікання реакції, наприклад, зміна кольору або об’єму компонентів реакції. Існує декілька методів обробки кінетичних даних з метою визначення порядку хімічної реакції. Розглянемо тільки один метод, який називається методом підстановки. Суть його полягає в тому, що кінетичні дані підставляються в те чи інше кінетичне рівняння і підбирається таке рівняння (першого, другого чи третього порядку), для якого константа швидкості реакції не залежить від часу для декількох значень часу та поточної концентрації. При цьому доцільно починати з рівняння реакції першого порядку, тому що реакції першого порядку бувають частіше, ніж другого, а тим більше третього. Тому для розв’язання задачі скористаємося рівнянням реакції першого порядку k = 1/t ln(Co/C) і розрахуємо декілька констант, кожний раз приймаючи за Со одну з поточних концентрацій, При цьому уважно стежимо за відповідністю часу до поточної концентрації, яку приймаємо за Со:
K1 = 1/5 Ln(1/0,5) = 0,1386
K2 = 1/15 Ln(1/0,125) = 0,1386
K3 = 1/20 Ln(1/0,0625) = 0,1386
K4 = 1/10 Ln(0,5/0,125) = 0,1386
K5 = 1/15 Ln(0,5/0,0625) = 0,1386
K6 = 1/5 Ln(0,125/0,0625) = 0,1386
Як видно K1 = K2 = ….= K6 , що дає змогу дійти висновку, що ця реакція першого порядку (n = 1). Кінетичні дані цієї задачі для наочності явно ідеалізовані. На практиці значення констант іноді відрізняються суттєво, але якщо кінетичне рівняння, яке узяте для розрахунку, зовсім не відповідає порядку реакції, то розбіжність констант буде явною. У разі значних розбіжностей доходимо висновку, що ця реакція не першого порядку і підставляємо кінетичні дані в кінетичне рівняння реакції другого чи третього порядку. У нашому випадку і без цих розрахунків було видно, що ця реакція першого порядку, тому що за однакові проміжки часу концентрація зменшується удвічі, а це характерно тільки для реакцій першого порядку. Якщо відома константа швидкості і будь-яке значення поточної концентрації, то можливо розрахувати іншу поточну концентрацію за уже відомим кінетичним рівнянням. Наприклад, концентрація вихідної речовини до початку реакції має значення 0,1386 = 1/5 Ln (Co/1) , звідси Со = 1, 999 2.(відповідь – порядок 1, Со = 2; С15 хв. = 0,225; розмірність константи швидкості – с-1)
Задача N104. Які бувають типи складниххімічних реакцій?
(відповідь – паралельні, послідовні, оборотні та супряжені)
Подібна задача. Які кінетичні особливості протікання складних хімічних реакцій?Складними хімічними реакціями називають такі хімічні реакції, яких у системі протікає декілька (мінімум – 2) за участюодних і тих самих вихідних речовин. В основі кінетики складних хімічних реакцій лежить так званий принцип незалежності, який полягає в тому, що кожна з реакцій протікає незалежно від іншої відповідно до свого кінетичного рівняння.
Задача N105. Які хімічні реакції називають паралельними? (відповідь – паралельними називають такі хімічні реакції, в яких з одних і тих самих вихідних речовин утворюються різні продукти реакції)
Подібна задача. Які кінетичні особливості паралельних реакцій? Якщо позначити літерою А вихідну речовину, а літерами В та С - продукти паралельної реакції, то схематично це можна записати так:
V1 V2 B
A
V3 C
Для такої реакції швидкість розпаду А (V1) буде дорівнювати сумі швидкостей утворення В(V2) та С(V3), тобто V1 = V2 + V3. При цьому V2 не залежить від V3, тобто можна прискорювати одну з паралельних реакцій (наприклад, за допомогою каталізатора), не впливаючи на іншу. (відповідь – незалежність швидкості паралельних реакцій однієї від іншої)
Задача N106. Якою із стадій визначається швидкість послідовної хімічної реакції? (відповідь – швидкість послідовної хімічної реакції визначається швидкістю тією із тих її стадій, яка є самою повільною)
Подібна задача. Які хімічні реакції називають послідовними, які кінетичні особливості їх протікання?Послідовними хімічними реакціями називаються такі реакції, в яких утворення кінцевих продуктів із вихідних речовин протікає через одну або декілька проміжних стадій. Зобразимо таку реакцію у вигляді схеми
V1 V2
V3
Вихідна речовина А буде перетворюватись у кінцевий продукт С через проміжну речовину В. Швидкість V3 = V1 , коли V1 < V2, і V3 = V2 , коли V1 > V2 , тобто швидкість перетворення вихідної речовини в кінцевий продукт буде визначатись швидкістю самої повільної стадії. Зміну концентрації всіх учасників послідовної реакції (СА, СВ та СС) від часу (t) ілюструє рисунок, який наведений нижче.
C CA CB CC
Задача N107. Чому дорівнює швидкість оборотної хімічної реакції? (відповідь – швидкість оборотної реакції дорівнює різниці між швидкістю прямої та зворотної реакцій)
Подібна задача. Які кінетичні особливості оборотних реакцій? Оборотними називаються такі хімічні реакції, які можуть протікати як у прямому, так і зворотному напрямках. Можна будь - яку хімічну реакцію розглядати як оборотну, але оборотними реакціями частіше називають такі, стан рівноваги якіх не зміщений до кінця праворуч або ліворуч. Тобто це такі реакції, які не протікають до кінця завдяки тому, що із зростанням концентрації продукту реакції збільшується швидкість його перетворення у вихідну речовину. Схематично оборотну реакцію можна зобразити
так k1
A B
k2
Якщо через k1 та k2 позначити константи швидкості прямої та зворотної реакцій, то їх відношення (див. задачу N48) визначає величину константи рівноваги (Kс), тобто k1/ k2 = Kс. Запишемо швидкості прямої (V1) та зворотної (V2) реакцій V1= k1CA та V2 = k2CB, а також пригадаємо, що стан рівноваги - це коли швидкість прямої реакції дорівнює швидкості зворотної, тоді можемо записати k1CA = k2CB або k1/ k2= CB /CA = Kc.Швидкість оборотної реакції (V) дорівнює різниці між швидкістю прямої та зворотної реакцій V = V1 - V2. Нижче на рисунку зображена зміна швидкостей прямої і зворотної реакцій з часом (t)і наближення системи, в якій протікає оборотна реакція, до стану рівноваги.
V
V1
V2
T
(відповідь – основною особливістю оборотних реакцій є те, що вони протікають тільки до стану рівноваги)
Задача N108. Які хімічні реакції називаються супряженими? (відповідь – супряженими хімічними реакціями називаються такі реакції, які протікають тільки за наявності іншої реакції)
Подібна задача. У чому суть явища, яке називають хімічною індукцією? Суть явища хімічної індукції полягає в тому, що завдяки протіканню однієї хімічної реакції стає можливим протікання другої реакції, яка неможлива з позицій термодинаміки, тобто для якоїDG > 0. Так, якщо є дві реакції
1. А + В = М DG1 > 0
2. А + С = N DG2 < 0,
то, як виходить із термодинаміки, перша реакція неможлива (DG1 > 0), а друга може протікати самодовільно (DG2 < 0). Можливі такі реакції, які ініціюють інші за умови, що сума зміни ізобарних потенціалів у результаті обох реакцій буде менше нуля (DG1 + DG2 < 0). (відповідь – суть хімічної індукції полягає в протіканні однієї хімічної реакції за рахунок зменшення ізобарного потенціалу всієї системи у цілому)
Задача N109. У скільки разів наближено збільшиться швидкість хімічної реакції, якщо її проводити не при 25, а при 45 оС? (відповідь - у 9 разів)