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:
S2O82− (aq) + 3I− (aq) → 2SO42− (aq) + I3− (aq)
Równanie kinetyczne przedstawionego procesu ma postać:
v = k ∙ cS2O28−m ∙ cIn−Wartości stężenia jonów S2O82− i I− oraz uzyskane wartości początkowej szybkości zaniku
jonów S2O82− 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 | |
|---|---|---|---|
| S2O82− | 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 S2O82− obniży się do
wartości 0,10 mol · dm−3.
Odpowiedź i zasady oceniania (CKE)
4 pkt – zastosowanie poprawnie wyznaczonego równania kinetycznego (określenie wykładników m i n) do obliczenia szybkości reakcji i poprawne obliczenie szybkości
reakcji w doświadczeniu 1. w momencie, w którym stężenie jonów S2O82− osiągnie wartość 0,1 mol · dm−3 oraz podanie poprawnego wyniku.
3 pkt – zastosowanie poprawnie wyznaczonego równania kinetycznego (określenie wykładników m i n) do obliczenia szybkości reakcji i obliczenie szybkości reakcji
w doświadczeniu 1. w momencie, w którym stężenie jonów S2O82− osiągnie wartość 0,1 mol · dm−3, ale popełnienie błędów rachunkowych. ALBO
– zastosowanie poprawnie wyznaczonego równania kinetycznego (określenie wykładników m i n) do obliczenia stałej szybkości reakcji k oraz uwzględnienie
stechiometrii reakcji i poprawne obliczenie stężenia jonów I– w doświadczeniu 1. w momencie, w którym stężenie jonów S2O82− osiągnie wartość 0,1 mol · dm−3 i podanie poprawnego wyniku.
2 pkt – zastosowanie poprawnie wyznaczonego równania kinetycznego (określenie wykładników m i n) do obliczenia stałej szybkości reakcji k.
ALBO
– poprawne wyznaczenie równania kinetycznego (określenie wykładników m i n) i poprawne obliczenie stężenia jonów I– w doświadczeniu 1. w momencie, w którym stężenie jonów S2O82− osiągnie wartość 0,1 mol · dm−3
1 pkt – uwzględnienie stechiometrii reakcji i poprawne obliczenie stężenia jonów I–
w doświadczeniu 1. w momencie, w którym stężenie jonów S2O82− osiągnie wartość 0,1 mol · dm−3 i podanie wyniku. ALBO
– poprawne napisanie równania kinetycznego opisanej reakcji (poprawne określenie wykładników m i n).
0 pkt – zastosowanie błędnej metody rozwiązania LUB brak ustalenia równania kinetycznego albo brak rozwiązania.
Uwaga: Należy zwrócić uwagę na zależność wyniku liczbowego od przyjętych zaokrągleń.
Za poprawny należy uznać każdy wynik będący konsekwencją zastosowanejpoprawnej metody i poprawnych obliczeń.
Wyznaczenie wykładników w równaniu kinetycznym:
v = k ∙ cS2O28−m ∙ cIn− Na podstawie doświadczeń 1. i 2.: v1 0,15m 1,14 = = ⇒ 0,68m = 0,67 ⇒ m = 1 v2 0,22m 1,70 v2 0,21n 1,70 = = ⇒ 1,75n = 1,73 ⇒ n = 1 v3 0,12n 0,98Na podstawie doświadczeń 2. i 3.:
Równanie kinetyczne: v = k ∙ cS2O28− ∙ cI−
Stała szybkości reakcji: obliczenia na przykładzie doświadczenia 1.:
1,14 mol ∙ dm–3 ∙ s–1 k = = 36,19 (dm3 · mol–1 · s–1) 0,15 mol ∙ dm–3 ∙ 0,21 mol ∙ dm–3wartości uzyskane dla doświadczeń 2. i 3. to odpowiednio: 36,80 (dm3 · mol–1 · s–1) oraz 37,12 (dm3 · mol–1 · s–1) Średnia wartość k: 36,7 dm3 · mol–1 · s–1)
Uwaga: Zdający może obliczyć stałą szybkości reakcji dla dowolnego doświadczenia lub
wyliczyć trzy wartości i je uśrednić.
Szybkość reakcji dla doświadczenia 1. w momencie, w którym stężenie jonów S2O82−osiągnie wartość 0,1 mol · dm–3: stężenie S2O82−= 0,1 mol · dm–3 stężenie I– po uwzględnieniu stosunku stechiometrycznego reagentów = 0,06 mol ∙ dm–3v = 36,19 dm3 · mol–1 · s–1 · 0,1 mol · dm–3 · 0,06 mol ∙ dm–3
= 0,22 (mol ∙ dm–3 · s–1)