Reakcje odwracalne w zadaniach

Dzisiaj proponuję Ci trzy różne zadania z kinetyki reakcji odwracalnych. Możesz spróbować zmierzyć się z nimi samodzielnie, albo podejrzeć szczegółowe rozwiązania. Mam nadzieję, że w uzupełnieniu o artykuł z teorii kinetyki reakcji odwracalnej, zdobyta wiedza z tego tematu będzie dla Ciebie satysfakcjonująca.

Zadanie 1.

W temperaturze 5 °C, w roztworze acetonowym, pewna reakcja przegrupowania wewnątrzcząsteczkowego:

\mathrm{A\ \ }\begin{subarray}\ \xrightarrow{\mathrm{\ \ \ }\overrightarrow{k}\mathrm{\ \ \ }}\\ \xleftarrow[\overleftarrow{k}]{} \end{subarray} \mathrm{\ \ B}

ma stałe szybkości reakcji równe: \overrightarrow{k}=6\cdot10^{-3}\ \mathrm{min}^{-1} i \overleftarrow{k}=6\cdot 10^{-3}\ \mathrm{min}^{-1}. Po jakim czasie stężenie C_\mathrm{A} będzie równe stężeniu C_\mathrm{B}? Jak zmieniłby się ten czas, gdyby \overleftarrow{k} miało wartość = 2\cdot10^{-3}\ \mathrm{min}^{-1} a wartość \overrightarrow{k} byłaby jak powyżej?

Zadanie 2.

Estryfikacja etanolu kwasem mrówkowym w temperaturze 25 °C, w wodnym roztworze w obecności kwasu solnego, przebiega zgodnie z równaniem:

\mathrm{\underbrace{C_2H_5OH}_\mathrm{E} + \underbrace{HCOOH}_\mathrm{K}}\mathrm{\ \ }\begin{subarray}\ \xrightarrow{\mathrm{\ \ \ }k_1\mathrm{\ \ \ }}\\ \xleftarrow[k_2]{} \end{subarray}\mathrm{\ \ }\mathrm{\underbrace{HCOOC_2H_5}_\mathrm{M} +\underbrace{H_2O}_\mathrm{W}}

W roztworze zawierającym nadmiar etanolu i wody stała szybkości estryfikacji k_1 wynosi 1,85\cdot10^{-3}\ \mathrm{min}^{-1}, natomiast stała szybkości reakcji odwrotnej k_2=1,76\cdot10^{-3}\ \mathrm{min}^{-1}. Przy początkowym stężeniu kwasu mrówkowego C_\mathrm{0K}=0,07\ \mathrm{mol\cdot dm^{-3}} obliczyć:
A) Równowagowe stężenie mrówczanu etylu.
B) Czas potrzebny aby estryfikacja zaszła w 90%.

Zadanie 3.

Izomeryzacja cis-trans 1,2-dimetylocyklopropanu w temperaturze 726 K jest reakcją odwracalną I rzędu. Procentowy skład mieszaniny w funkcji czasu był następujący:

\begin{array}{c|c|c|c|c|c|c|c|c|c}\ \mathrm{czas\ [s]} & 0 & 50 & 94 & 228&271 & 363 & 495 & 585 & 675 & \infty \\ \%_\mathrm{trans} & \hline 0 & 10,8 & 18,9 & 37,7 & 41,8 & 49,3 & 56,5 & 60,1 & 62,7 & 70,0 \end{array}

Obliczyć stałą równowagi reakcji oraz stałe szybkości reakcji w prawą i w lewą stronę.

Czytaj dalej >>

Kinetyka reakcji II rzędu

Wracamy do kinetyki! Jak (mam nadzieję) już mówiłem, podstawowym zadaniem kinetyki chemicznej  jest badanie szybkości reakcji i czynników wpływających na tę szybkość. Jak (nadzieja matką głupich?) pamiętasz, sprawa w dużej mierze sprowadzała się do wyznaczenia równania kinetycznego w danych warunkach - w grę wchodzą temperatura, użyty (lub nie) katalizator i tak dalej...

Zakładając, że te warunki mamy ustalone, szukamy osławionego równania kinetycznego, wiążącego szybkość reakcji ze stężeniami substratów (aktualnymi, w danej chwili reakcji). Równanie kinetyczne jest jednak równaniem różniczkowym, i aby wygodnie podstawiać jakieś wartości i na ich podstawie obliczać inne, trzeba to równanie scałkować. Tym właśnie zajmiemy się w tym artykule, dla drugiego już przypadku - reakcji II rzędu.

Czytaj dalej >>

Kinetyka reakcji I rzędu

Nareszcie! Uzbrojeni w potężny oręż teoretyczny (naprawdę, to ile już wiesz, to ogromnie solidne zaplecze), możemy zająć się obliczeniową stroną kinetyki chemicznej, co z punktu widzenia na przykład egzaminu maturalnego jest sprawą najważniejszą. Dlaczego, podchodząc już czysto matematycznie, dzielimy sobie reakcje zależnie od ich rzędu? Mam nadzieję, że po lekturze tego wpisu wszystko stanie się jasne.

Weźmy sobie jakąś reakcję pierwszego rzędu (znowu posłużę się symbolami) i przeanalizujmy jej matematykę (naprawdę, to jest najlepsza część). Dla przykładowej reakcji:

 \mathrm{A\longrightarrow produkty}

Czytaj dalej >>

Stała szybkości reakcji - lektura do poduchy

"Bajek", jak to mówi moja Pani Profesor od chemii fizycznej, ciąg dalszy. O samej stałej szybkości reakcji też trzeba powiedzieć kilka słów. Jak powinieneś pamiętać, pojawiła się ona "znikąd", w równaniu kinetycznym.

Dlaczego w ogóle jest potrzebna? Wspomniałem, że chemicy wymyślili sobie, że szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężeń substratów (podniesionych do odpowiednich potęg). Można by to, dla maglowanej przeze mnie reakcji ogólnej, zapisać tak:

v=...[\mathrm{A}]^\alpha[\mathrm{B}]^\beta

Jak widzisz, proporcjonalny nie znaczy równy (nie bez pewnej poprawki - stąd wielokropek, coś tu jeszcze trzeba dostawić)! Jeżeli masz problem z tym słowem, szybko tłumaczę. Prosty przykład - rachunki za prąd płacisz. Jeśli nie Ty, to na pewno któryś z Twoich domowników. Wysokość rachunku jest proporcjonalna do (wybaczcie mi wszyscy fizycy, elektrycy...) poboru tego prądu. Im więcej "prądu zużyjesz", tym więcej zapłacisz. Można więc powiedzieć, że rachunek za prąd jest proporcjonalny do poboru prądu. Ale to nie znaczy, że ile kilowatogodzin (jednostka energii) prądu pobierzesz, tyle samo złotych zapłacisz, prawda? Trzeba to przemnożyć przez jakiś współczynnik - cenę (w zł) za jedną kilowatogodzinę.

Po co gadanie o prądzie? Ten iloczyn stężeń (z równania kinetycznego) jest jak nasz pobór prądu, a stała szybkości reakcji - jak współczynnik, przez który trzeba go przemnożyć, żeby dostać inną pożyteczną wielkość - w naszym przypadku szybkość reakcji. Stałą szybkości możemy w tym przypadku, bardziej fachowo, nazwać czynnikiem proporcjonalności. Zwróć uwagę, żeby nie kiełbasiły Ci się pojęcia stałej szybkości z szybkością reakcji - pisząc artykuły z kinetyki nawet samemu niejednokrotnie się na tym złapałem.

Czytaj dalej >>

Rząd reakcji - nic nowego z nową nazwą

Tytuł zasugerował już pewnie, że chociaż nie poznamy żadnej nowej wielkości, dowiemy się, czym jest rząd reakcji chemicznej. Jest to wielkość ściśle związana z równaniem kinetycznym, które wiemy już, jak zapisać.

Dla naszej reakcji ogólnej:

 a\ \mathrm{A} + b\ \mathrm{B}\longrightarrow c\ \mathrm{C}+d\ \mathrm{D}

wyglądało następująco:

v=-\frac1{a}\frac{\operatorname{d}[\mathrm{A}]}{\operatorname{d}t}=-\frac1{b}\frac{\operatorname{d}[\mathrm{B}]}{\operatorname{d}t}=\frac1{c}\frac{\operatorname{d}[\mathrm{C}]}{\operatorname{d}t}=\frac1{d}\frac{\operatorname{d}[\mathrm{D}]}{\operatorname{d}t}=k[\mathrm{A}]^\alpha[\mathrm{B}]^\beta

Za namową Czytelnika, zwracam uwagę na różnicę między współczynnikiem d, a operatorem różniczkowania \operatorname{d}.

Czytaj dalej >>