Раздел «Химическая кинетика»

Пример 1. Определите время, за которое прореагирует 90 % вещества А, разлагающегося по реакции первого порядка: A ® B + D, если известно, что время полупревращения составляет t _½ = 40 мин.

Решение. Текущая концентрация исходного вещества для реакции 1 – го порядка определяется уравнением: C = C₀ exp (-kt) (1)

Количество распавшегося вещества А к моменту времени t равно x = C₀ - C

Подставим в уравнение (1) С = С ₀ - x и получим

 

Доля распавшегося вещества a равна

Из этого уравнения выразим экспоненту:

Логарифмируем это выражение и находим время:

Константу скорости реакции находим из уравнения для периода полупревращения реакции первого порядка:

Подставляем выражение для k в уравнение для времени t и получаем окончательное уравнение: Проводим вычисления:

Пример 2. Для элементарной реакции A + B = D + F при начальных концентрациях реагентов С _{А 0} = С _{В 0} = 0,6 моль/л через 20 мин. после начала реакции концентрация вещества А уменьшилась до значения С _{А 1} = 0,4 моль/л. Определите концентрацию вещества А через 60 мин. после начала реакции.

Решение. Поскольку данная реакция элементарная, то это реакция второго порядка. При равных начальных концентрациях реагентов для реакции второго порядка решение дифференциального уравнения

приводит к следующему результату:

Выразим из этого уравнения константу скорости и текущую концентрацию

Вычислим константу скорости по заданным условиям:

Далее вычисляем концентрацию вещества А через 60 мин. после начала реакции:

Пример 3. Скорость образования NО в реакции: NOBr_(г) ® NO_(г) +1/2 Br_{2 (г)}

равна 1,6×10 ^-4 моль/(л×с). Определите скорость реакции, скорость расходования NOBr и скорость образования Br₂ .

Решение. Из уравнения следует, что из 1 моль NOBr₂ образуется 1 моль NO и 1/2 моль Br₂, тогда скорость реакции можно выразить через изменение концентрации любого компонента:

 

 

 

Скорость расходования NOBr равна скорости образования NO с обратным знаком, а скорость образования Br₂ в 2 раза меньше скорости образования NO:

 

,

 

 

Пример 4.

В реакции А + В ® D начальные концентрации веществ А и В равны

соответственно 2,0 моль/л и 3,0 моль/л. Скорость реакции равна

r =1,2× 10^-3 моль/(л.с) при [ А ] =1,5 моль/л. Рассчитайте константу скорости и скорость реакции при [ В ] = 1,5 моль/л.

Решение. Согласно закону действующих масс скорость реакции равна:

r = k[А][В]. К моменту времени, когда [А] = 1,5 моль/л, прореагировало по 0,5 моль/л веществ А и В, поэтому [В] = 3 - 0,5 = 2,5 моль/л.

Константа скорости равна: k = r / ([А][В]) =1,2×10^-3 /(1,5×2,5) =3,2×10^-4 л / (моль с).

К моменту времени, когда [В] = 1,5 моль/л, прореагировало по 1,5 моль/л веществ А и В, поэтому [А] = 2 – 1,5 = 0.5 моль/л. Скорость реакции равна:

r = k [ А ] [ В ] = 3,2 ×10^-4 × 0,5× 1,5 =2,4×10^-4 моль/(л.с).

 

Пример 5. Энергия активации первой реакции Е₁ в 3 раза больше энергии активации второй реакции Е₂. При нагревании от температуры Т₁ = 400К до

Т₂ =500К константа скорости первой реакции увеличилась в 7 раз. Во сколько раз увеличилась константа скорости второй реакции при нагревании в этом же температурном интервале?

Решение. Е₁ / Е₂ =3. Из уравнения Аррениуса k = k₀ e ^{- E/RT} для первой реакции для двух различных температур справедливо соотношение

ln k₂ / k₁ =

Из этого соотношения можно выразить

Аналогично из уравнения Аррениуса для второй реакции

 

ln k 2¹ / k 1¹ = .

По условию задачи Е₂ = Е₁ /3 и, следовательно

 

ln ; 3 ln и

 

 

Приложение 1