Badano kinetykę reakcji utleniania tlenku azotu(II) zachodzącej zgodnie z równaniem:
2NO (g) + O2 (g) ⇄ 2NO2 (g)
Stwierdzono, że:
jest to reakcja pierwszego rzędu względem tlenu
zależność szybkości reakcji od stężenia opisuje poniższe równanie kinetyczne.
𝑣 = 𝑘 ∙ 𝑐𝒂NO ∙ 𝑐𝒃O2
W temperaturze 298 K zbadano zależność początkowej szybkości reakcji od stężenia tlenku
azotu(II). Pomiary prowadzono przy stałym stężeniu tlenu wynoszącym 0,050 mol · dm−3.
Wykres przedstawia uzyskaną zależność.
Na podstawie: J. Głowiński, J. Hoffmann, M. Wilk, Polish Journal of Chemical Technology, 23 (2021) 31.
8.1 (0–1)
Uzupełnij tabelę. Wpisz brakujące wartości stężenia NO i szybkości reakcji.
Stężenie NO, mol · dm−3
Szybkość reakcji, mol · dm−3 · s−1
0,034
1,10
8.2 (0–1)
Ustal i napisz wartości wykładników 𝒂 i 𝒃 w równaniu kinetycznym.
Obliczenia pomocnicze:
8.3 (0–1)
Oblicz wartość stałej szybkości opisanej reakcji w temperaturze 298 K. Wynik
zapisz z właściwą jednostką.
Amoniak można otrzymać w wyniku reakcji azotu z wodorem w podwyższonej temperaturze:
N2 (g) + 3H2 (g) ⇄ 2NH3 (g) Δ𝐻 = –91,9 kJ
Przeprowadzono doświadczenie, w którym do reaktora o stałej pojemności wprowadzono
pewne ilości wodoru oraz azotu i pozostawiono mieszaninę do czasu ustalenia się stanu
równowagi. Reaktor był izolowany termicznie – wymiana energii na sposób ciepła między
reaktorem a otoczeniem była niemożliwa. Po ustaleniu się stanu równowagi temperatura
w reaktorze wynosiła 240 °C.
Po 40 minutach od ustalenia się stanu równowagi do układu wprowadzono dodatkową ilość
jednego z substratów ogrzanego do temperatury 240 °C (wprowadzenie reagenta do układu
początkowo nie spowodowało zmiany temperatury). W kolejnych minutach zarejestrowano
zmiany stężeń wszystkich reagentów – patrz wykres. Zaobserwowano także powolną zmianę
temperatury w reaktorze.
10.1. (0–1)
Zidentyfikuj reagenty A, B i C. Wpisz w odpowiednie miejsca wzory: N2, H2 , NH3.
A:
B:
C:
10.2. (0–1)
Rozstrzygnij, czy temperatura w reaktorze między 40. a 80 . minutą malała, czy – rosła.
Uzasadnij odpowiedź.
Rozstrzygnięcie:
Uzasadnienie:
10.3. (0–1)
W 80. minucie prowadzonego doświadczenia w układzie ustalił się stan równowagi
dynamicznej, co oznacza, że szybkość reakcji tworzenia amoniaku jest taka sama jak
szybkość reakcji do niej odwrotnej.
Rozstrzygnij, czy zastosowanie poniższych czynników poskutkuje zwiększeniem
szybkości reakcji rozkładu amoniaku, biegnącej w opisanym układzie.
Zaznacz TAK, jeśli dany czynnik spowoduje zwiększenie szybkości reakcji rozkładu,
albo NIE – jeśli tego nie spowoduje.
W poniższej tabeli podano wartości entalpii (w temperaturze 298 K) trzech przemian:
syntezy tlenku azotu(II)
syntezy tlenku azotu(IV)
syntezy amoniaku.
Przemiana
Równanie przemiany
Δ𝐻°, kJ
1.
N2 (g) + O2 (g) ⇄ 2NO (g)
+182,52
2.
2NO (g) + O2 (g) ⇄ 2NO2 (g)
–114,14
3.
N2 (g) + 3H2 (g) ⇄ 2NH3 (g)
–91,88
Na podstawie: W. Mizerski, Tablice chemiczne, Warszawa 2013.
W celu wyznaczenia równania kinetycznego przemiany 2. przeprowadzono w temperaturze 𝑇 doświadczenia I–III. Wartości stężeń początkowych obu substratów oraz odpowiadające im wartości szybkości początkowych zestawiono w tabeli.
Stężenie początkowe, mol ∙ dm–3
Szybkość początkowa, mol ∙ dm–3 ∙ s–1
NO
O2
I
0,012
0,020
0,102
II
0,024
0,020
0,408
III
0,024
0,040
0,816
Na podstawie: L. Jones, P. Atkins, Chemia ogólna, Warszawa 2006.
a) Na podstawie danych z tabeli uzupełnij równanie kinetyczne opisanej przemiany. Wpisz wartości wykładników w wyznaczone miejsca.
Równanie kinetyczne:
b) Spośród podanych odpowiedzi wybierz poprawną wartość stałej szybkości reakcji k w temperaturze T oraz właściwą jednostkę. Zaznacz A, B albo C oraz 1, 2 albo 3.
W zamkniętym reaktorze zachodzi reakcja opisana równaniem:
X2 (g) + 2Y2 (g) → 2XY2 (g)
Zależność szybkości tej reakcji od stężenia opisuje poniższe równanie kinetyczne.
𝑣 = 𝑘 ∙ 𝑐𝒂X2 ∙ 𝑐𝒃Y2
Aby wyznaczyć wykładniki 𝑎 i 𝑏 w równaniu kinetycznym, przeprowadzono serię pomiarów:
w temperaturze 𝑇 mierzono zależność szybkości reakcji od stężenia jednego z substratów
przy stałym stężeniu drugiego. Na podstawie wyników pomiarów sporządzono poniższe
wykresy zależności szybkości reakcji od:
Oceń prawdziwość zdań. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F – jeśli jest
fałszywe.
1.
Zmniejszenie objętości reaktora w warunkach izotermicznych, przy niezmienionej początkowej liczbie moli substratów, skutkuje wzrostem szybkości opisanej reakcji.
P
F
2.
Wzrost temperatury w reaktorze w warunkach izobarycznych, przy niezmienionej początkowej liczbie moli substratów, skutkuje spadkiem szybkości opisanej reakcji.
P
F
10.2. (0–4)
W reaktorze o pojemności 4,0 dm3 umieszczono stechiometryczną mieszaninę, zawierającą
łącznie 12,0 mol gazów X2 i Y2, i zainicjowano reakcję syntezy gazu XY2. W układzie
utrzymywano temperaturę 𝑇.
Na podstawie analizy wykresów ustal i napisz wartości wykładników 𝒂 i 𝒃. Następnie
oblicz wartość stałej szybkości reakcji 𝒌 oraz oblicz szybkość tej reakcji
w temperaturze 𝑻 w chwili, gdy w reaktorze znajdowało się łącznie 9,0 mol wszystkich
gazów.
Równanie kinetyczne wyznacza się doświadczalnie. W tym celu dokonuje się wielokrotnego
pomiaru szybkości reakcji przy zmianie stężenia tylko jednego z reagentów. Takie
postępowanie pozwala określić, jak zmiana stężenia wpływa na wartość szybkości reakcji.
Przeprowadzono trzy doświadczenia, w których określono początkową szybkość reakcji
przebiegającej w temperaturze T według równania:
S2O2−8 (aq) + 3I− (aq) → 2SO2−4 (aq) + I−3 (aq)
Równanie kinetyczne przedstawionego procesu ma postać:
𝑣 = 𝑘 ∙ c𝑚S2O2−8 ∙ c𝑛I−
Wartości stężenia jonów S2O2−8 i I− oraz uzyskane wartości początkowej szybkości zaniku
jonów S2O2−8 podano w poniższej tabeli. Przedstawione dane pozwoliły określić
współczynniki 𝑚 i 𝑛 w równaniu kinetycznym tej reakcji.
Doświadczenie
Początkowe stężenie, mol · dm−3
Początkowa szybkość, mol · dm−3 ∙ s−1
S2O2−8
I−
1.
0,15
0,21
1,14
2.
0,22
0,21
1,70
3.
0,22
0,12
0,98
Na podstawie: L. Jones, P. Atkins, Chemia ogólna. Cząsteczki, materia, reakcje, Warszawa 2004.
Oblicz szybkość reakcji (wyrażoną w jednostce: mol · dm−3 · s−1) w doświadczeniu 1.
w chwili, gdy w wyniku zachodzącej reakcji stężenie jonów S2O2−8 obniży się do
wartości 0,10 mol · dm−3.
Nadtlenek wodoru jest to substancja nietrwała, którą należy przechowywać w zimnym
i ciemnym miejscu, gdyż w innych warunkach ulega powolnemu rozkładowi. Postęp rozkładu
nadtlenku wodoru można badać np. za pomocą techniki miareczkowania.
W termostatowanym naczyniu umieszczono roztwór H2O2 o pewnym stężeniu, który
utrzymywano w temperaturze 40 °C. W równych odstępach czasowych z tego roztworu
pobierano próbki, które schładzano i miareczkowano za pomocą zakwaszonego roztworu
manganianu(VII) potasu o stężeniu 0,0020 mol ∙ dm−3. Podczas miareczkowania zachodziła
reakcja opisana równaniem:
Objętość każdej pobieranej próbki była równa 2,0 cm3. Uzyskane wyniki przedstawiono
w tabeli.
Czas, minuty
0
10
20
30
Objętość KMnO4, cm3
19,1
14,2
9,9
6,2
6.1. (0–2)
Uzupełnij poniższą tabelę, a następnie narysuj wykres przedstawiający zależność
stężenia nadtlenku wodoru od czasu. Wartość stężenia zapisz w zaokrągleniu do
trzeciego miejsca po przecinku.
Czas, minuty
0
10
20
30
Stężenie molowe H2O2, mol ∙ dm−3
0,048
0,036
Obliczenia pomocnicze:
6.2. (0–1)
Uzupełnij zdania. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym
nawiasie.
Szybkość reakcji rozkładu nadtlenku wodoru wraz z upływem czasu (rośnie / maleje /
nie ulega zmianie).
Szybkość reakcji rozkładu nadtlenku wodoru w temperaturze 40 °C jest (większa niż /
mniejsza niż / taka sama jak) w temperaturze 20 °C.
W roztworze wodnym nadtlenek wodoru rozkłada się zgodnie z równaniem:
2H2O2 (aq) → 2H2O (c) + O2 (g)
Reakcja ta zachodzi powoli, stąd trudno zauważyć wydzielanie się tlenu.
Badano zależność szybkości rozkładu nadtlenku wodoru od stężenia wodnego roztworu tej substancji w temperaturze T = 40°C oraz w temperaturze T1. Wyniki eksperymentu przedstawiono na poniższym wykresie.
Źródło: H.F. Holtzclaw, W.R. Robinson, College Chemistry, Lexington, Toronto 1988.
Uzupełnij poniższe zdanie. Wybierz i zaznacz jedną odpowiedź spośród podanych w każdym nawiasie.
Dla danego stężenia nadtlenku wodoru szybkość jego rozkładu jest w temperaturze T1 (mniejsza / większa), niż w temperaturze T = 40 °C, co oznacza, że temperatura T1 jest (wyższa / niższa) od temperatury 40 °C.
Związek chemiczny o nazwie 2-metyloprop-1-en (izobutylen) jest ważnym surowcem
w syntezach organicznych. Przeprowadzono dwie reakcje z udziałem 2-metyloprop-1-enu
jako substratu. W reakcji I ten związek poddano polimeryzacji i otrzymano poliizobutylen.
W reakcji II przeprowadzono addycję bromowodoru do 2-metyloprop-1-enu.
Addycja bromowodoru do 2-metyloprop-1-enu zachodzi zgodnie z dwuetapowym
mechanizmem ukazanym na poniższym schemacie.
Na wykresie przedstawiono zmianę energii potencjalnej drobin podczas przebiegu reakcji
chemicznej.
Na podstawie: J. McMurry, Chemia organiczna, Warszawa 2018.
23.1. (0–1)
Oceń prawdziwość poniższych zdań. Zaznacz P, jeśli zdanie jest prawdziwe, albo F –
jeśli jest fałszywe.
1.
Entalpia reakcji addycji bromowodoru do 2-metyloprop-1-enu przyjmuje wartość ujemną (Δ𝐻 < 0).
P
F
2.
Reakcja addycji bromowodoru do 2-metyloprop-1-enu zachodzi zgodnie z mechanizmem nukleofilowym.
P
F
23.2. (0–1)
Szybkość reakcji chemicznej zależy od szybkości najwolniejszego etapu danej przemiany.
Rozstrzygnij, który etap – 1 czy 2 – jest wolniejszy, więc decyduje o szybkości reakcji
addycji bromowodoru do 2-metyloprop-1-enu. Odpowiedź uzasadnij.
Wpływ temperatury na szybkość reakcji tłumaczy się wykładniczym wzrostem wartości stałej szybkości reakcji 𝑘. Tę zależność opisuje równanie Arrheniusa:
𝑘 = 𝐴 ∙ e–𝐸a𝑅∙𝑇
gdzie 𝐸a oznacza energię aktywacji, 𝑅 – uniwersalną stałą gazową, a 𝑇 – temperaturę bezwzględną wyrażoną w kelwinach. Czynnik e–𝐸a𝑅∙𝑇 informuje o tym, jaka część zderzających się molekuł ma energię większą lub równą energii aktywacji, natomiast czynnik 𝐴, nazywany czynnikiem przedwykładniczym, określa częstotliwości zderzeń efektywnych. Wartość czynnika 𝐴 jest w praktyce niezależna od temperatury. Równanie Arrheniusa może być przekształcone do postaci logarytmicznej:
ln(𝑘) = – 𝐸a𝑅 ∙ 1𝑇 + ln𝐴
będącej równaniem liniowym (𝑦=𝑎𝑥+𝑏), opisującym zależność logarytmu naturalnego1 ze stałej szybkości reakcji ln(𝑘) od odwrotności temperatury 1𝑇. Wartość (– 𝐸a𝑅) jest współczynnikiem kierunkowym tej prostej.
Badano przebieg reakcji chemicznej, zachodzącej między wodorem i chlorkiem bromu, przebiegającej według następującego równania reakcji:
H2 (g) + 2BrCl (g) → Br2 (g) + 2HCl (g)
Po ustaleniu mechanizmu opisanej reakcji określono jej równanie kinetyczne jako:
𝑣 = 𝑘 ∙ 𝑐H2 ∙ 𝑐BrCl
Tę reakcję przeprowadzano w różnych temperaturach należących do przedziału od 310 K do 380 K i za każdym razem wyznaczono wartość jej stałej szybkości. Otrzymane dane zestawiono w tabeli.
Nr pomiaru
Temperatura 𝑇, K
Stała szybkości reakcji 𝑘, dm3 ∙ mol−1 ∙ s−1
1
310
5,33∙10–3
2
320
6,90∙10–3
3
330
8,78∙10–3
4
340
11,02∙10–3
5
350
13,66∙10–3
6
360
16,73∙10–3
7
370
20,26∙10–3
8
380
24,29∙10–3
1 logarytm o podstawie równej liczbie Eulera, wynoszącej e ≈ 2,7183, podlega takim samym regułom działań jak pozostałe logarytmy o innych podstawach należących do zbioru liczb rzeczywistych.
Uzupełnij tabelę brakującymi wartościami ln(𝒌) (z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku) oraz narysuj wykres zależności logarytmu naturalnego ze stałej szybkości reakcji pomiędzy wodorem a chlorkiem bromu ln(𝒌) od odwrotności temperatury 1𝑇. Następnie oblicz wartość energii aktywacji tej reakcji.
