Кинетика 3 ступени

  1. Имеется цепочка реакций первого порядка (над стрелками указаны периоды полураспада при 25 \degree C, под стрелками - энергии активации)
A \xrightarrow[100 кДж/моль]{100 \space сут} B \xrightarrow[70 кДж/моль]{10 \space час} C \xrightarrow[50 кДж/моль]{90 \space мин} D.

В реакцию вступил 1 моль вещества А. Рассчитайте количества веществ А, В, С и D через 30 суток, если реакции проводились при температурах: а) 25 \degree C; б) 40 \degree C. Найдите периоды полураспада веществ А - С при 40 \degree C.
Кто знает как это можно решить ? (P.S вроде как ступенями нельзя пренебрегать но могу ошибаться)

1 лайк

Судя по периодам полураспада, k_1 << k_2 << k_3. В таком случае можно попробовать применить квазистационарное приближение. Но если хочешь решить без приближений, то надо уметь решать линейное дифференциальное уравнение первого порядка следующего вида:

\frac{dy}{dx} + p(x)y = g(x)

Здесь можно воспользоваться производной произведения \displaystyle \frac{d}{dx}(f(x)g(x)) = \frac{df(x)}{dx}g(x) + f(x)\frac{dg(x)}{dx}. Пусть существует некая функция \mu(x), произведение которой на обе части дифференциального уравнения даст нам следующее выражение:

\mu(x)\frac{dy}{dx} + \mu(x)p(x)y = g(x)\mu(x)

Чтобы выразить левую часть дифференциального уравнения как произведение двух функций y и \mu(x), необходимо чтобы соблюдалось условие \displaystyle \frac{d\mu(x)}{dx} = \mu(x) p(x). Отсюда получается, что \displaystyle \mu(x) = e^{\int p(x)dx}.

Рассмотрим на примере скорости образования вещества \ce{B}:

\frac{d[\ce{B}]}{dt} = k_1[\ce{A}] - k_2[\ce{B}] = k_1[\ce{A}]_0e^{-k_1t} -k_2[\ce{B}]
\frac{d[\ce{B}]}{dt} + k_2[\ce{B}] = k_1[\ce{A}]_0e^{-k_1t}

Заметим, что в данном случае p(t) = k_2, \ g(t) = k_1[\ce{A}]_0e^{-k_1t}. Поскольку \mu(t) = e^{k_2t},

e^{k_2t}\frac{d[\ce{B}]}{dt} + k_2e^{k_2t}[\ce{B}]=k_1[\ce{A}]_0e^{(k_2-k_1)t}
\frac{d}{dt}(e^{k_2t}[\ce{B}]) = k_1[\ce{A}]_0e^{(k_2-k_1)t}
e^{k_2t}[\ce{B}] = k_1[\ce{A}]_0 \int_{0}^{t}e^{(k_2-k_1)t}dt = \frac{k_1[\ce{A}]_0}{k_2-k_1}(e^{(k_2-k_1)t}-1)
[\ce{B}] = \frac{k_1[\ce{A}]_0}{k_2-k_1}(e^{-k_1t}-e^{-k_2t})

Похожим образом можно найти выражение для текущей концентрации вещества \ce{C}, а текущую концентрацию вещества \ce{D} можно найти из закона сохранения масс. Но это немного долговатый процесс, поэтому все-таки лучше пользоваться приближением там, где это возможно. Попробуем сравнить значения k_1 и k_2.

k_1 = \frac{\ln 2}{100} = 6.93\cdot10^{-3} \ сут^{-1}
k_2 = \frac{\ln 2}{10} \cdot 24 = 1.66 \ сут^{-1}

Поскольку k_2 >> k_1, можно упростить выражение для текущей концентрации вещества \ce{B} до следующего выражения:

[\ce{B}] = \frac{k_1[\ce{A}]_0}{k_2}e^{-k_1t}= \frac{k_1}{k_2}[\ce{A}]

Применением квазистационарного приближения, можно придти к такому же результату.

7 лайков

а могли вы бы показать способ с квазистационарным приблтжением если вам не трудно ?

1 лайк

Первым делом, хотел бы вас попросить о том, чтобы загружая фотографии, вставьте их в вертикальной ориентации. :slightly_smiling_face: Иначе, другим пользователям сложно будет читать ваш вопрос.

Следующее, в будущие разы пожалуйста дублируйте условие текстом. Это поможет другим пользователям, которые зададутся таким же вопросом, быстрее найти эту тему.

3 лайка

Сначала вещество А превращается в вещество В, которое затем превращается в С. В этот момент времени вещества В образуется больше, чем оно расходуется (т.е. в системе накапливается определенное кол-во вещества В). Но в какой-то момент вещество В достигнет такой концентрации, при которой скорость расходования В оказывается равной скорости образования В. Чем больше разница между k_2 и k_1, тем быстрее достигается такое состояние. Другими словами, концентрация вещества В в этот момент будет постоянной, а значит, изменение ее по времени будет равно нулю:

\frac{d[\ce{B}]}{dt} = k_1[\ce{A}] - k_2[\ce{B}] = 0

Отсюда понятно, что [\ce{B}] = \frac{k_1}{k_2}[\ce{A}].

5 лайков