Szybkość reakcji i rzędowość reakcji Przykładowe zadania z rozwiązaniami

Zadanie 1 z rozwiązaniem W wyniku reakcji zachodzącej zgodnie z równaniem: A + B ↔ C + D stężenie substratu A w mieszaninie reakcyjnej w ciągu 5 minut zmniejszyło się z 0,2 mol/dm3 do 0,05 mol/dm3. Oblicz szybkość reakcji. Analiza i założenia do zadania: ∆t – czas w [s], ∆c – wzrost/spadek stężenia reagenta znak ”+” w równaniu przyrost stężenia produktu, znak „-” ubytek stężenia substratu, obliczenie szybkości reakcji:

Zadanie 2 z rozwiązaniem W wyniku reakcji zachodzącej zgodnie z równaniem: A + B ↔ AB stężenie produktu AB w mieszaninie reakcyjnej w ciągu 10 minut wzrosło z 0,001 mol/dm3 do 0,1 mol/dm3. Oblicz szybkość reakcji. Analiza i założenia do zadania: ∆t = 600 s, ∆c = 0,1 mol/dm3 – 0,001 mol/dm3 = 0,099 mol/dm3 obliczenie szybkości reakcji:

Zadanie 3 z rozwiązaniem W pewnym momencie reakcji zachodzącej w fazie gazowej opisanej równaniem: 4 HCl + O2  2 H2O + 2 Cl2 stężenia substratów wynosiły: [HCl] = 5mol/dm3, [O2] = 2mol/dm3. Oblicz, ile razy zmniejszy się szybkość reakcji opisanej równaniem kinetycznym v = k ∙ [HCl]4 ∙ [O2] w momencie, w którym stężenie zmaleje do 1 mol/dm3. obliczenie v2 i spadku szybkości reakcji:

Zadanie 4 z rozwiązaniem Czas trwania pewnej reakcji chemicznej w temperaturze 100 K trwa 64 minuty. Oblicz, o ile należy podnieść temp układu aby czas reakcji skrócić do 4 minut, jeżeli współczynnik temp. γ wynosi 2. Analiza i założenia do zadania: zgodnie z regułą van`t Hoffa podniesienie / obniżenie temp. o każde 10 K wpływa na zwiększenie / zmniejszenie szybkości reakcji o współczynnik temperaturowy γ: 2 ≤ γ ≤ 4 obliczenie wzrostu temperatury układu:

Zadanie 5 z rozwiązaniem Oblicz, o ile kelwinów należy obniżyć temperaturę układu, aby szybkość reakcji obniżyć 27 – krotnie, jeżeli współczynnik temperaturowy γ = 3. Analiza i założenia do zadania: γ = 3 obliczenie wzrostu temperatury układu: ∆T = 30 K temperaturę należy obniżyć o 30 K.

Zadanie 6 z rozwiązaniem Stała szybkości rozpadu pewnego związku chemicznego w temperaturze 363 K wynosi 8 ∙ 10-4/h, a w temperaturze 373 K wynosi 2 ∙ 10-3/h. Oblicz współczynnik temperaturowy reakcji. Analiza i założenia do zadania: obliczenie współczynnika γ:

Zadanie 7 z rozwiązaniem Tlenek azotu(V) ulega rozkładowi zgodnie z poniższym równaniem: 2 N2O5(g)  4 NO2(g) + O2(g) 2 mol  4 mol + 1mol Oblicz szybkość tworzenia tlenu i tlenku azotu(IV), jeżeli w określonym momencie reakcji szybkość rozkładu tlenku azotu(V) wynosi: v = 1,25 ∙ 10-3 mol/dm3 ∙ s-1. Analiza i założenia do zadania: na podstawie równania reakcji wynika, że szybkości tworzenia: NO2 jest 2-krotnie większa, a O2 jest 2-krotnie mniejsza od szybkości rozkładu N2O5, obliczenie szybkości tworzenia:

Zadanie 8 z rozwiązaniem W reaktorze o objętości 10 dm3 zmieszano 1 mol azotu z 3 molami wodoru . Oblicz, ile razy zmniejszy się szybkość reakcji syntezy amoniaku, jeżeli przereaguje 0,75 mola azotu, jeżeli równanie kinetyczne ma postać v = k [N2] ∙ [H2]3. Oblicz rząd / rzędowość reakcji. Analiza i założenia do zadania: N2(g) + 3 H2(g)  2 NH3(g) początkowe stężenia molowe substratów: [N2] = 0,1 mol/dm3; [H2] = 0,3 mol/dm3 stężenia molowe substratów po przereagow. 0,75 mol N2: [N2] = 0,1mol/dm3 – 0,075mol/dm3 = 0,025 mol/dm3, [H2] = 0,3 mol/dm3 – 3 ∙ 0,075 mol/dm3 = 0,075 mol/dm3.

Zadanie 8 z rozwiązaniem / cd obliczenie szybkości reakcji w stężeniach wyjściowych: v1 = k ∙ [N2] ∙ [H2]3 = k ∙ 0,1 ∙ 0,33 = k ∙ 0,0027 = k ∙ 2,7 ∙ 10-3 obliczenie szybkości reakcji w stężeniach po przereagowaniu 0,75 mola azotu: v2 = k ∙ [N2] ∙ [H2]3 = k ∙ 0,025 ∙ 0,0753 ≈ k ∙ 1,05 ∙ 10-5 obliczenie zamiany szybkości reakcji: szybkość reakcji zmalała 257 – krotnie obliczenie rzędu / rzędowości reakcji: jest to suma wykładni potęgowych w równaniu kinetycznym dla danej reakcji: n = 1 + 3 = 4, co oznacza, że szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężeń substratów zgodnie z równaniem kinetycznym: v = k ∙ [N2] ∙ [H2]3

Zadanie 9 z rozwiązaniem Szybkość pewnej reakcji chemicznej wyrażona jest równaniem kinetycznym: v = k ∙ [A]x ∙ [B]y ∙ [C]z. szybkość reakcji wzrasta 8-krotnie, jeżeli stężenie A wzrasta 2-krotnie a stężenie B i C pozostaje bez zmian, szybkość reakcji wzrasta 27-krotnie, jeżeli stężenie B wzrasta 3-krotnie a stężenie A i C pozostaje bez zmian, szybkość reakcji wzrasta 4-krotnie, jeżeli stężenie C wzrasta 4-krotnie a stężenie A i B pozostaje bez zmian. Określ wartość współczynników x, y, z występujących w równaniu kinetycznym. Analiza i założenia do zadania: v = k ∙ [B]y ∙ [C]z = const; v = k ∙ [A]x ∙ [B]y = const; v = k ∙ [A]x ∙ [C]z = const; T = const; k = cnost. stąd v1 = k ∙ [A]x ; v2 = k ∙ [B]y ; v3 = k ∙ [C]z

Zadanie 9 z rozwiązaniem / cd obliczenie wartości współczynnika x: v1 = 8 ∙ v = 8 ∙ k [A]x 8 ∙ v = k [2A]x 23 = 2x x = 3 obliczenie wartości współczynnika y: v2 = 27 ∙ v = 27 ∙ k [B]y 27 ∙ v = k [3B]y 33 = 3y y = 3 obliczenie wartości współczynnika z: v3 = 4 ∙ v = 4 ∙ k [C]z 4 ∙ v = k [4C]z 41 = 4z z = 1 równanie kinetyczne reakcji: v = k ∙ [A]3 ∙ [B]3 ∙ [C]1

Zadanie 10 z rozwiązaniem Poniższe zestawienie w tabeli ilustruje zależność szybkości reakcji od stężeń substratów w stałej temperaturze dla reakcji opisanej równaniem: 2 H2(g) + 2 NO(g)  2 H2O(g) + N2(g) Podaj wyrażenie na szybkość reakcji / równanie kinetyczne, oblicz rzędowość reakcji, oblicz stałą szybkości reakcji. Próba [H2] mol/dm3 [NO] Szybkość reakcji mol/dm3∙s-1 1 2 ∙ 10-2 2,5 ∙ 10-2 4,8 ∙ 10-2 2 1,25∙ 10-2 2,4 ∙ 10-2 3 1 ∙ 10-2 0,6 ∙ 10-2

Zadanie 10 z rozwiązaniem / cd Analiza i założenie do zadania: ogólne równanie kinetyczne: v = k ∙ [H2]x ∙ [NO]y T = cnost; k = const v1 = 4,8 ∙ 10-2 = k ∙ (2 ∙ 10-2)x ∙ (2,5 ∙ 10-2)y v2 = 2,4 ∙ 10-2 = k ∙ (2 ∙ 10-2)x ∙ (1,25 ∙ 10-2)y v3 = 0,6 ∙ 10-2 = k ∙ (1 ∙ 10-2)x ∙ (1,25 ∙ 10-2)y obliczenie wartości współczynnika y: 2y = 2 y = 1

Zadanie 10 z rozwiązaniem / cd obliczenie wartości współczynnika x: 2x = 4 x = 2 równanie kinetyczne reakcji / wyrażenie na szybkość reakcji: v = k ∙ [H2]x ∙ [NO]y = k ∙ [H2]2 ∙ [NO] obliczenie rzędowości reakcji: n = 2 + 1 = 3 obliczenie stałej szybkości reakcji:

Zadanie 11 z rozwiązaniem Jak zmieni się szybkość reakcji syntezy amoniaku w temp. T i stałej k opisanej równaniem: 3 H2(g) + N2(g)  2 NH3(g), jeżeli stężenie molowe wodoru zwiększy się 3-krotnie a stężenie azotu zwiększy się 2-krotnie, temp. obniży się o 30 K (współczynnik temp. szybkości reakcji γ = 2), natomiast równanie kinetyczne ma postać: v = k ∙ [H2]3 ∙ [N2] Analiza i założenia do zadania: stężenie molowe: [H2] = x; [N2] = x , v1 = k ∙ x3 ∙ x = kx4 wyznaczenie równania kinetycznego po zmianie warunków: v2 = (γ)3 ∙ k ∙[3 H2]3 ∙ [2 N2] = (1/2)3 ∙ k ∙ 27x3 ∙ 2x = 6,75 ∙ kx4 obliczenie zmiany szybkości reakcji: szybk. reakc. wzrośnie 6,75-krotnie