Решен пример: определяне на скоростта на една химична реакция с помощта на данни за началните скорости на реакцията

Вече разбираме как да прилагаме закона за действие на масите, така че нека го приложим към една реакция. Нека имаме реакция на азотен оксид, NO, и водород, при което се получават водород и вода при 1280°C. В подточка а трябва да запишем закона за действие на масите. От предното видео знаем, че скоростта на реакцията е равна на К, скоростната константа, по концентрацията на азотния оксид. Азотният оксид е едното от изходните вещества. Значи скоростта на реакцията е пропорционална на на концентрацията на азотния оксид на някаква степен Х. Все още не знаем колко е Х. Знаем също, че скоростта на реакцията е пропорционална на концентрацията на другото изходно вещество, което е водородът, затова слагаме тук и и водорода. Но не знаем на каква степен Y е повдигната. Ще определим X и Y, като погледнем тези експериментални данни. Първо да намерим Х. Трябва да видим как концентрацията на азотния оксид влияе на скоростта на реакцията. Гледаме опит едно и опит две. Причината да избера тях е, че концентрацията на водорода е константа в тези два експеримента. Концентрацията на водорода е 0,002 М и в двата случая. Гледаме какво се случва с концентрацията на азотния оксид, отиваме от концентрация 0,005 на концентрация 0,010 М. Концентрацията на азотния оксид е увеличена с коефициент две. Концентрацията е удвоена. Какво се случва с началната скорост на реакцията? Скоростта се променя от 1,25 по 10^–5 до 5 по 10^–5. Това е увеличение с коефициент четири. Скоростта се увеличава четири пъти. Ако ти е трудно да правиш наум тези изчисления, можеш да вземеш калкулатор и да сметнеш 5 по 10^–5 делено на 1,25 по 10^–5, което е равно на 4 върху едно, или четири. Тази скорост е четири по тази скорост. Сега знаем достатъчно, за да намерим порядъка за азотния оксид. Спомни си от предходното видео, че казвахме 2 на степен Х е равно на 4. Значи 2 на степен Х е равно на 4. Очевидно Х е две, две на квадрат е четири. Значи можем да заместим това в нашия израз за закона за действие на масите. Знаем вече, че скоростта е равна на К по концентрацията на азотния оксид на втора степен. Значи реакцията е от втори порядък по отношение на азотния оксид. Сега да намерим порядъка по отношение на водорода. Този път ще изберем експериментите, в които концентрацията на азотния оксид е константа. Това са експерименти две и три, в които концентрацията на азотния оксид не се променя. Тя е 0,01 М (мол за литър) и в двата експеримента. Но концентрацията на водорода се променя. Тя се променя от 0,002 на 0,004. Значи концентрацията на водорода се увеличава с коефициент 2, и какво става със скоростта на реакцията? Тя се променя от 5 по 10^–5 до 1 по 10^–4. Значи скоростта се удвоява. Скоростта се увеличава с коефициент две. Понякога степените притесняват учениците. Как така се удвоява скоростта? Повтарям, ако не можеш да го сметнеш наум, можеш да вземеш калкулатор и да разделиш 1 по 10^–4 на 5 по 10^–5, и ще видиш, че ще получиш две, т.е. скоростта се е увеличила с коефициент 2. Две на коя степен е равно на две? Имаме две на степен Y е равно на две. Очевидно Y е равно на едно. Две на първа степен е равно на две. Знаем, че реакцията е първи порядък по отношение на водорода. Хайде да го заместим. Слагаме концентрацията на водорода на първа степен. Определихме кинетичното уравнение за закона за действие на масите за тази реакция. Във втората подточка искат да намерим общия порядък на реакцията, което е много лесно, защото в подточка А вече определихме кинетичното уравнение. Знаем, че реакцията е от втори порядък по отношение на азотния оксид и от първи порядък по отношение на водорода. За да намерим общия порядък, трябва просто да съберем степенните показатели. Две плюс едно е три, следователно общият порядък на реакцията е три. Нека да сравним степенните показатели и коефициентите в химичното уравнение. За учениците е много изкушаващо да кажат: О, тук имаме двойка за коефициент пред азотния оксид, значи степента в кинетичното уравнение ще бъде две. Но погледни водорода, той има коефициент две в химичното уравнение, а ние определихме степента му като едно в кинетичното уравнение. Не можем просто да вземем коефициентите от химичното уравнение и да ги използваме като степени в кинетичното уравнение. Трябва да погледнем експерименталните данни, за да определим степените в кинетичното уравнение. По-късно ще навлезем по-дълбоко в тази тема и ще видим механизмите за това. Добре, хайде да се преместим на трета подточка. В нея се иска да изчислим скоростната константа К. Можем да изчислим скоростната константа К с помощта на кинетичното уравнение, което намерихме в подточка А, като изберем някой от експериментите, и заместим числата в кинетичното уравнение, при това няма значение кой експеримент ще изберем. Можеш да избереш първия, втория или третия. Аз ще избера тук едно. Заместваме цялата информация в кинетичното уравнение, което току що намерихме. Например за кинетичното уравнение имаме скоростта на реакцията, ето тук. В експеримент едно първоначалната скорост на реакцията е 1,2 по 10^–5. Това са М (молове за литър) за секунда, така че замествам в кинетичното уравнение. Нека да слеза надолу и да заместя тази стойност, 1,2 по 10^–5 М за секунда. Добре, това е скоростта на реакцията. След това имаме равно на скоростната константа К, която търсим сега, по концентрацията на азотния оксид на втора степен. Нека се върна горе и да видя концентрацията на азотния оксид в първия експеримент. Концентрацията е 0,005 М. Записвам тук 0,005 М. Имам 0,005 мола за литър. Сега трябва да умножа по концентрацията на водорода на първа степен. Връщам се към експеримент едно и виждам, че концентрацията на водорода е 0,002 мола за литър, замествам го тук. Имаме 0,002 мола за литър. И сега остава да намерим К. Нека да взема калкулатора. 0,005 на квадрат е 2,5 по 10^–5, умножаваме го по 0,002. Отдясно имаме 5 по 10^–8. По отношение на мерните единици, ще имаме М^2 по М тук и цялото по К, е равно на 1,25 по 10^–5 М/s. Хайде да намерим първо стойността, а после ще видим и единиците. За да намерим К, просто 1,25 по 10^ –5 делим на 5 по 10^–8, и получаваме, че К е равно на 250. Можем да запишем това тук. К е равно на 250, а какви са единиците? отляво имаме М, отдясно имаме М, значи мога да ги съкратя. Отляво остана 1/s и отдясно имаме М^2, така че делим двете страни на M^2 и получаваме за единиците за К, че са 1/M^2 по s. Намерихме скоростната константа на нашата реакция. Забележи, че това е за конкретна температура. Реакцията се провежда при 1280 градуса по Целзий, така че това е скоростната константа при 1280°C. Остана последната подточка. Каква е скоростта на реакцията, когато когато концентрацията на азотния оксид е 0,012 М, а концентрацията на водорода е 0,006 М. Можем да използваме кинетичното уравнение. То е това, което намерихме в подточка А, скоростта е равна на К по концентрацията на азотния оксид на квадрат, по концентрацията на водорода на първа степен. Търсим скоростта на реакцията. Търсим R, като вече знаем колко е К. К е 250 1/M^2 по s. Концентрацията на азотния оксид е 0,012, значи имаме 0,012 М и го повдигаме на квадрат. Просто взимам тази стойност и я замествам в кинетичното уравнение. Концентрацията на водорода е 0,006 М. Замествам тук. Добре, това е по 0,006 М, значи имаме 0,006 М на първа степен. И сега да изчислим скоростта. Скоростта е равна на... първо ще сметна числата. Имаме 0,012 на квадрат. Това ще умножим по 0,006 и после трябва да умножим по скоростната константа 250. Получаваме 2,16 по 10^–4. Можем да го закръглим на 2,2 по 10^–4. По отношение на мерните единици, да видим какво става, имам М^2, ето тук имаме М^2, така че накрая имаме М^2 за секунда, което знаем, че е мерната единица за скорост, M^2/s. Получихме скоростта на реакцията.