Номер 248, страница 332 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.248. Какая из перечисленных величин может принимать отрицательные значения: а) порядок реакции по веществу; б) скорость реакции; в) константа скорости реакции?

а) порядок реакции по веществу

Порядок реакции по веществу — это показатель степени, в которой концентрация данного вещества входит в кинетическое уравнение скорости реакции. Для реакции, скорость которой $v$ зависит от концентрации вещества $A$ как $v = k[A]^n$, величина $n$ является порядком реакции по веществу $A$.

Порядок реакции определяется экспериментально и не всегда совпадает со стехиометрическим коэффициентом. Он может быть целым, дробным, нулевым или отрицательным.

Отрицательный порядок реакции означает, что с увеличением концентрации данного вещества скорость реакции уменьшается. Такое явление наблюдается, например, когда продукт реакции или одно из исходных веществ (при его избытке) ингибирует (замедляет) реакцию. Например, для гетерогенной каталитической реакции скорость может описываться уравнением Ленгмюра-Хиншельвуда, где в знаменателе стоит концентрация, что может приводить к отрицательному порядку. Другой пример — разложение озона $2O_3 \rightarrow 3O_2$, скорость которого может быть описана уравнением $v = k \frac{[O_3]^2}{[O_2]} = k[O_3]^2[O_2]^{-1}$. В данном случае порядок реакции по кислороду равен -1, что указывает на его ингибирующее действие.

Ответ: Порядок реакции по веществу может принимать отрицательные значения.

б) скорость реакции

Скорость химической реакции — это изменение концентрации одного из реагентов или продуктов в единицу времени. По определению, скорость реакции является величиной неотрицательной. Она определяется как скорость убыли концентрации исходного вещества (реагента) или как скорость прироста концентрации продукта реакции.

Для реагента $R$: $v = -\frac{\Delta[R]}{\Delta t} = -\frac{d[R]}{dt}$. Так как концентрация реагента со временем уменьшается, $\Delta[R]$ и $d[R]$ отрицательны, и, следовательно, скорость $v$ положительна.

Для продукта $P$: $v = \frac{\Delta[P]}{\Delta t} = \frac{d[P]}{dt}$. Так как концентрация продукта со временем увеличивается, $\Delta[P]$ и $d[P]$ положительны, и скорость $v$ также положительна.

Нулевая скорость означает, что реакция не протекает или находится в состоянии химического равновесия. Отрицательная скорость не имеет физического смысла в контексте кинетики, так как это означало бы, что время течет в обратном направлении или продукты самопроизвольно превращаются в реагенты быстрее, чем идет прямая реакция.

Ответ: Скорость реакции не может принимать отрицательные значения.

в) константа скорости реакции

Константа скорости реакции ($k$) — это коэффициент пропорциональности в законе действующих масс (кинетическом уравнении). Например, для простой реакции $A \rightarrow B$ скорость равна $v = k[A]$.

Поскольку скорость реакции $v$ и концентрации веществ всегда являются неотрицательными величинами, константа скорости $k$ также должна быть неотрицательной ($k \ge 0$).

Зависимость константы скорости от температуры описывается уравнением Аррениуса: $k = A \cdot e^{-E_a/(RT)}$. В этом уравнении все величины положительны: предэкспоненциальный множитель $A > 0$, энергия активации $E_a \ge 0$, универсальная газовая постоянная $R > 0$ и абсолютная температура $T > 0$. Следовательно, экспоненциальный член $e^{-E_a/(RT)}$ всегда положителен, а значит, и константа скорости $k$ всегда положительна.

Ответ: Константа скорости реакции не может принимать отрицательные значения.