1. Strona główna
  2. Zadania maturalne z chemii
  3. Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015)

Chemia - Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 45.

Kategoria: Szybkość reakcji Typ: Podaj/wymień Oblicz

Reakcja wodoru z jodem w fazie gazowej przebiega zgodnie z równaniem:

H2 (g) + I2 (g) ⇄ 2HI (g)   ΔH > 0

Do zamkniętego reaktora wprowadzono wodór i pary jodu, uzyskując stężenie początkowe wodoru równe 1,5 mol · dm−3, a jodu 1,0 mol · dm−3 i utrzymując stałą temperaturę. Szybkość reakcji chemicznej zależy od stężenia substratów. Równanie kinetyczne opisujące tę zależność dla syntezy jodowodoru ma postać: v = k ⋅ cH2 ⋅ cI2,
gdzie v jest szybkością reakcji, k jest stałą szybkości reakcji, która nie zależy od stężeń substratów, a cH2 i cI2 oznaczają stężenia substratów reakcji.

a)Wykonując obliczenia, określ, jak zmieni się (wzrośnie czy zmaleje) i ile razy szybkość tej reakcji po przereagowaniu 50% początkowej ilości jodu w stosunku do szybkości początkowej.
b)Oceń, jak zmieni się wydajność tworzenia jodowodoru (wzrośnie, zmaleje, nie zmieni się), jeżeli w reaktorze, w którym ustaliła się równowaga tej reakcji:
1) tylko wzrośnie temperatura układu.
2) tylko zmaleje ciśnienie wewnątrz reaktora.
3) tylko zwiększy się ilość jodu.

Rozwiązanie

a)
(0-1)
Przykład poprawnej odpowiedzi
Dane:
c0 H2 = 1,5 mol · dm–3
c0 I2 = 1,0 mol · dm–3
Indeks „0” odnosi się do wielkości początkowych.
Szukane:
vv0

Rozwiązanie:
Obliczenie początkowej szybkości reakcji:
v0 = k ⋅ c0 H2 ⋅ c0 I2 = k · 1,5 · 1,0 = 1,5k

Jeżeli przereagowało 50% jodu, to przy stałej objętości reaktora stężenie jodu zmalało o połowę:
cI2 = 0,5 mol · dm–3, a ubytek stężenia jodu Δ cI2 = 0,5 mol · dm–3

Z równania reakcji nH2nI2 = 1, więc ubytek stężenia wodoru Δ cH2 = Δ cI2 = 0,5 mol · dm–3, zatem stężenie wodoru po przereagowaniu 50% jodu osiągnęło wartość:
cH2 = 1,5 mol · dm–3 – 0,5 mol · dm–3= 1,0 mol · dm–3

Obliczenie szybkości reakcji po przereagowaniu 50% jodu: v = k ⋅ cH2 ⋅ cI2 = k · 1,0 · 0,5 = 0,5k

Obliczenie stosunku szybkości reakcji:

vv0 = 0,5k1,5k = 13
⇒ v = 13 v0

Odpowiedź: Szybkość reakcji zmaleje 3 razy.

b)
(0-1)

1) Wydajność wzrośnie.
2) Wydajność nie zmieni się.
3) Wydajność wzrośnie.

Wskazówki

a)
Rozwiązanie zadania wymaga obliczenia początkowej szybkości reakcji zgodnie z podanym równaniem kinetycznym tej reakcji:

v0 = k ⋅ c0 H2 ⋅ c0 I2 = k · 1,5 · 1,0 = 1,5k

Jeżeli przereagowało 50% jodu, to przy stałej objętości reaktora stężenie jodu zmalało o połowę, dlatego stężenie pozostałego w reaktorze jodu będzie wynosić cI2 = 0,5 mol · dm−3, a ubytek stężenia jodu Δ cI2 = 0,5 mol · dm−3.

Z równania reakcji wynika, że wodór i jod reagują w stosunku molowym nH2nI2 = 1, więc ubytek stężenia wodoru jest równy ubytkowi stężenia jodu: Δ cH2 = Δ cI2 = 0,5 mol · dm−3,
zatem stężenie wodoru po przereagowaniu 50% jodu osiągnęło wartość:
cH2 = 1,5 mol · dm−3 – 0,5 mol · dm−3 = 1,0 mol · dm−3.

Znając stężenie obu substratów w momencie po przereagowaniu 50% jodu, możemy obliczyć szybkość reakcji w tym momencie: v = k ⋅ cH2 ⋅ cI2 = k · 1,0 · 0,5 = 0,5k

W ten sposób obliczymy stosunek szybkości reakcji w momencie po przereagowaniu 50% jodu i szybkości początkowej:

vv0 = 0,5k1,5k = 13,

na podstawie którego możemy stwierdzić, że szybkość reakcji zmaleje 3 razy.

b)
Kierunek zmian, jakie zajdą pod wpływem zewnętrznego bodźca w układzie, który jest w stanie równowagi, określa reguła przekory Le Chateliera i Brauna: jeżeli na układ znajdujący się w stanie równowagi działa bodziec zewnętrzny, to w układzie tym następują zmiany zmniejszające skutki działania tego bodźca. Zgodnie z regułą przekory wzrost temperatury spowoduje więc zajście w większym stopniu tej reakcji, która przebiega z pochłonięciem ciepła. Aby ustalić, jak zmieni się wydajność syntezy jodowodoru wskutek wzrostu temperatury układu, należy wziąć pod uwagę jej efekt energetyczny: zapis ΔH > 0 wskazuje, że jest to reakcja endotermiczna, a więc wymaga dostarczenia ciepła z otoczenia do układu. Wzrost temperatury spowoduje więc zajście w większym stopniu syntezy jodowodoru, co oznacza, że wydajność tej reakcji wzrośnie. Aby ustalić, jak zmieni się wydajność syntezy jodowodoru wskutek zmniejszenia ciśnienia w reaktorze, należy porównać objętości substratów i produktów. Widzimy, że łączna liczba gazowych substratów tej reakcji jest równa liczbie moli jej gazowego produktu, zatem w warunkach stałego ciśnienia reakcji tej nie towarzyszy zmiana objętości reagentów. Wynika z tego, że zmiana ciśnienia (ani zwiększenie, ani obniżenie) nie wpływa na wydajność reakcji. Dodanie jednego z substratów (w tym wypadku jodu), zgodnie z regułą przekory, spowoduje zajście w większym stopniu syntezy jodowodoru, a więc wydajność tej reakcji wzrośnie.