תרגילים פרופ' עזרא בר-זיו המחלקה להנדסת מכונות (תשס"ד) שאלה 1 שאלה 2 נתון : Time (sec) Pressure, mm Hg (torr)

Transcript

1 א( קורס יסודות תורת השריפה ( ) פרופ' עזרא בר-זיו המחלקה להנדסת מכונות (תשס"ד) תרגילים גיליון מספר 1: תרגילים בקינטיקה כימית נתון : שאלה 1 PH מתפרק ב- 600 o (g) (g) C ל- PH ו- H. בזמן התפרקות נמדדו הגדלים הבאים: Time (sec) Pressure, mm Hg (torr) מהו סדר הראקציה? חשב את קבוע מהירות הראקציה? ( ( שאלה עבור הראקציה CO(g) + Cl (g) COCl (g) נמדדו הנתונים הבאים ב- 5: C P o,co,= 4 mmhg (torr); P o,cl,= 400 mmhg Time, min P COCl, mmhg P o, CO, mmhg P o,co,= 4 mmhg; P o,cl,= 1600 mmhg Time, min P COCl, mmhg P o, CO, mmhg υ = d ( PCOCl ) a b dt = kp CO P Cl ( מהירות הראקציה נתונה ע"י: מצא את a ו b. )חשב את k. 1

2 א( נתונה הראקציה הבאה: שאלה CH CONH + HCl + H 6C 0 O CH COOH + NH אפשר לעקוב אחרי הקינטיקה בעזרת מדידת המוליכות. מערבבים נפחים שווים של תמיסות N אצטאמיד ו- HCl ומתקבל: time, min מוליכות, cm ohm Cl NH 4 + המוליכות היונית האקוויוולנטית ב- 6 o C בהתאמה, חשב: היא -1 ohm,17, 1, 515 cm equi -1 עבור +,H Cl -1 ו- ( סדר הראקציה. ( קבוע המהירות. שאלה 4 נתונה הראקציה הבאה (CH ) COOC(CH ) (g) CH COCH (g) + C H 6 (g) האות g מסמנת פזה גזית. מדדו את הלחץ הכללי במערכת כפונקציה של הזמן עם נתונים המסוכמים בטבלה הבאה time (min) P tot (torr) בזמן אפס במערכת קיים רק מגיב. פתור את התרגיל בצורה גרפית. ( מהו סדר הראקציה ( חשב את קבוע מהירות הראקציה. שאלה 5 הריאקציה: A + B + C products היא ריאקציה מן הסדר הראשון לגבי כל אחד ממרכיביה. הריאקציה נחקרה [C] 0 שונה בוצעו מספר ניסויים בהם [A] 0 ו [B] 0 נשארו קבועים ו- [C] 0.[A] 0 = [B] 0 >> בתנאים בהם: מניסוי לניסוי. נמדד זמן ¾ הערך ) /4 τ) שהוא הזמן בו נעלמים 75% מ- [C], 0 והסתבר שזמן זה היה: פרופורציונלי ל } 0 [B].1/{[A] 0.1 פרופורציונלי ל.[C] 0. פרופורציונלי ל } 0 [C].1/{[A] 0 [B] 0. לשאלה אין תשובה חד משמעית מאחר ולא ידוע פי כמה גדול [B] 0 מ- [C]. 0 4.

3 ג( ד( גיליון מספר : תרגילים בקינטיקה כימית שאלה 6 המימד של קבוע מהירות ריאקציה מן הסדר / הוא:.s 1 אין לו מימד כי הסדר איננו מספר שלם..(mol/cm ) / s 1.(cm /mol) / s 1.(cm /mol) 1/ s 1.(cm /mol) 1/ s / נתונה הראקציה שאלה 7 NO + H H O + N O υ = d ( p ) N O dt = k p NO. p H המקיימת את הביטוי: נתונה הטבלה הבאה: Experiment P o (NO)mmHg P o (H )mmhg t 1/ sec (* חצי (זמן T o C ? ? *הגדרה: הזמן הדרוש להשלים חצי התקדמות הוא "זמן החצי" time).(half לדוגמא: עבור 10, mmhg של H נוצרים 10 מ"מ H O "זמן החצי" הוא הזמן הדרוש בכדי להגיע ל 5 מ"מ H. O עבור מגיבים הנמצאים לא בעודף זה מגביל לזמן מחצית הערך! ( מלא את המקומות החסרים בטבלה. ( חשב את k. ( חשב את אנרגית האקטיבציה E. a ( חשב זמן החצי עבור:.P o (NO)=0mmHg P o (H )=10mmHg

4 שאלה 8 CH CHO (אלדהיד) מתפרק לתוצרים גזיים. נתון: Time (sec) P tot (mmhg) מצא את סדר הראקציה. T, o C k, s 1 שאלה 9 נתונים קבועי מהירות מן הסדר הראשון כפי שנמדדו בטמפרטורות שונות לפי הפרוט הבא: ע"י עיבוד גרפי מתאים חשב את אנרגית האקטיבציה והמקדם הפרה-אקספוננציאלי של קבוע א. המהירות של הריאקציה. חשב את זמן מחצית הערך של הריאקציה בטמפרטורה של 150. o C ב. כמה אחוזים יישארו מהמגיבים בטמפרטורה של 15 o C לאחר.0ms ג. שאלה 10 הראקציה A + B + C P נחקרה בתנאים ניסיוניים שונים. נמדדו המהירויות ההתחלתיות בריכוזים שונים של המגיבים והתקבלו התוצאות הבאות Initial rate (M sec -1 ) [A] o (M) [B] o (M) (M) [C] o ניסוי מס' 1x10-6.0x x x10-1 x x x x10 - x10-6.0x x x10 - x10-6.0x10-5.0x x10-4 א. מהם סדרי הראקציה החלקיים של כל המגיבים? ב. חשב/י את קבוע המהירות (בציון מפורש של היחידות). 4

5 גיליון מספר : תרגילים בקינטיקה כימית שאלה 11 בריאקציה מן הסדר הראשון A, B איזה גודל גדל פי כאשר מגדילים את ריכוזו ההתחלתי של A פי. שום דבר לא גדל. 1. המהירות ההתחלתית של הריאקציה.. זמן מחצית הערך של הריאקציה.. אין אפשרות לדעת מאחר והריאקציה איננה ריאקציה חוזרת. 4.. t = τ 1/ היחס [A]/[B] בזמן.5 שאלה 1 השיפוע המתקבל בתאור גרפי של ln k לעומת T/1 (כאשר k הוא קבוע מהירות הריאקציה) נותן את: חום הריאקציה מחולק ב- R בסימן הפוך. 1. אנרגית האקטיבציה.. אנרגית האקטיבציה מחולקת ב- R בסימן הפוך.. אנרגית האקטיבציה מחולקת ב- R רק בריאקציה בי-מולקולרית היוצאת לפעל באמצעות מנגנון התנגשויות. 4. אנרגית האקטיבציה מחולקת ב- R בסימן הפוך רק בריאקציה אנדותרמית. 5. אנרגית האקטיבציה מחולקת ב- R רק בריאקציה אקסותרמית. 6. שאלה 1 t 1/ של Sr 90 הוא 8 שנים. מהו משקל דוגמא של Sr 90 שקצב ההתפרקויות שלה הוא התפרקויות לדקה? שאלה 14 הראקציה הגזית SO + Cl SO Cl -1 sec k=.x10-5 ב-,00 o C מהו אחוז ה- SO שיתפרק במשך 90 דקות Cl היא ראקציה מסדר ראשון עם ב-?00 o C שאלה 15 חשב אנרגית אקטיבציה בריאקציה מסדר שני, הריכוזים ההתחלתיים שווים, כאשר ידועים זמני שליש הערך בשתי טמפרטורות? t 1/ 5

6 גיליון מספר 4: תרגילים בקינטיקה כימית שאלה 16 נתונה ראקצית חימצון חיזור הבאה: FeCl SnCl FeCl + Sn M SnCl התמיסה נמצאת ב- 5 o C ומכילה בהתחלה 0.06M FeCl ו- קובעים בטיטרציה את ריכוז ה Fe והתוצאות בזמנים שונים מתחילת התגובה נתונות בטבלה הבאה: זמן(דקות) [Fe + ] M לחשב את קבוע הקצב של התגובה אם נתון שהיא מסדר שלוש. נתונות שתי תגובות אלמנטריות: שאלה 17 k 1 A B k A C מה הוא זמן t שבו נוצרת מחצית הכמות של חומר B? שאלה 18 הראקציה הבאה מקוטלזת ע"י CO בטמפרטורת החדר O O נתונה הטבלה הבאה: ניסוי (1) mol/lit [CO ]=0.01 ניסוי () mol/lit [CO ]=0.005 זמן (דקות) P tot mmhg זמן (דקות) P tot mmhg ( מהו סדר הראקציה לפי ניסוי 1 וחשב k? app 6

7 ג( ד( א( א(. חשב a, b ו- k? d [ O ] dt = k [ O ] a [ CO ] b ( הנח ש- ( הערך של k מוכפל כל 10,חשב o a C E (אנרגית אקטיבציה)? ( מוצע המנגנון הבא לפירוק O ללא :CO O K K 1 O + O + O O K + O O מצא ביטוי עבור מהירות הראקציה? במנגנון זה הנח מצב עמיד. 19 נתון המנגנון הבא: שאלה A A B k1 k + B C [ B] d[ A] d dt, dt רשום: הנח מצב עמיד ופתור המשוואות, ציין מתי הנחה זו תהייה קרוב טוב. ( ( נתונה מערכת ריאקציות : שאלה 0 k A B k B C k 1 d[ C] dt חשב : כאשר,k >>k 1 (.k >>k, k 1 >>k ( 7

8 גיליון מספר 5: תרגילים בקינטיקה כימית s 1 שאלה 1 לריאקציה A C קבוע שיווי משקל של =.7 K. קבוע מהירות הריאקציה החוזרת הוא:.k = exp( 7800/RT) האנרגיה נתונה ביחידות של.cal/mol חשב את זמן מחצית הערך של הריאקציה בטמפרטורה של 50 o C ובטמפרטורה של 100. o C מה יהיה האחוז שיישאר מחומר A לאחר זמן אינסופי בשתי טמפרטורות אלו. צא/י מתוך הנחה שקבוע שיווי המשקל של הריאקציה איננו תלוי בטמפרטורה..k -1 שאלה נתונה הראקציה מסדר ראשון הבאה: A B עם קבועי מהירות k 1 ו- 1- k בכוונים קדימה ואחור, בהתאמה. כמו כן נתון קבוע שיווי משקל השווה ל- = eq K. בזמן אפס ריכוז התוצר הוא אפס. כמו כן, נתון ש- 0% מ- A עברו ל- B ב- 0 דקות. ( חשב את k 1 ו- ( חשב: (1) זמן מחצית הערך של הראקציה ו- () אחוז של A שעבר ל- B בזמן זה. במערכת הריאקציות: שאלה A+B C D+E k k C D P ניתן לראות את [C] כריכוז שווי המשקל של ריאקציה 1 אם: הריאקציה הראשונה היא ריאקציה חוזרת..k 1 >> k א..k -1 >> k ב. -1 k.k >> ג. -1 k.k 1 >> ד..k -1 =k 1 ה. 8

9 נתונה הראקציה שאלה 4 N NO + O O5 4 N NO NO O 5 + NO + NO NO + N k1 NO O 5 המדידות הקינטיות מראות שמהירות הראקציה תלויה בסדר ראשון. + NO k N O k4 NO ( fast) k NO + NO 5 + O ( very fast) ( slow) הונח המנגנון: הנח מצב עמיד עבור NO ו- NO והראה התאמה לתוצאות הניסיוניות. O + שאלה 5 k1 M O + O + M (1) 4. נתון המנגנון O O + k 1 O + M O + M () k O + O () כאשר M היא מולקולה שאינה מגיבה מבחינה כימית במערכת. א. רשום ביטוי מפורט (ללא הזנחות) עבור משוואת הקצב של החמצן ) O). ב. הנח מצב עמיד עבור ה- O וכתוב ביטוי עבור משוואת הקצב של החמצן והאוזון ) O). ג. הנח שראקציות (1) ו- () נמצאות בשיווי משקל ומצא ביטוי עבור מהירות ריכוז האוזון עם הזמן. 9

10 גיליון מספר 6: תרגילים בקינטיקה כימית k()[b] 0 > k(1)[a] 0 שאלה 6 במערכת הריאקציות האלמנטריות: A P (1) A + B P + B () ריאקציה תהיה מהירה מריאקציה 1 אם: כאשר B הוא קטליזטור (אינו משנה את ריכוזו). E() E) E(1) > מחסום אנרגטי).1 k(1) E(1) < k() E(). k() > k(1)..4 k()[b] 0 > k(1). 5 אין אפשרות לדעת אם לא נתונה הטמפרטורה בה מתרחשת הריאקציה. 6. שאלה 7 בריאקציה מן הסדר הראשון זמן 1/4 הערך (הזמן שבו מאבד המגיב 5% מערכו) הוא 500 שניות. זמן /4 הערך הוא בערך: 800 שניות. א שניות. ב. איננו מוגדר על סמך הנתון בשאלה כי לא ידוע קבוע המהירות. ג. 400 שניות. ד שניות. ה שניות. ו. שאלה 8 הראקציה NO + O NO היא מסדר שלישי באופן הבא: d [ NO ] dt = k [ NO] [ O ] ( הצע מנגנון בהנחה: (1) כמות קטנה של NO נמצאת בשווי משקל עם NO ו- O. () השלב קובע המהירות הוא.NO+NO ( k תלוי ויורד עם עלית הטמפרטורה, הסבר! 10

11 נתון המנגנון הבא: שאלה 9 (1) () k1 A B k B + B B + C כלומר השלב השני מקוטלז ע"י B. ( חשב את d[ C] dt בהנחת מצב עמיד עבור.B ( האם אפשר להגיע לתוצאה בדרך פשוטה יותר? שאלה 0 בראקציה פוטוכימית המנגנון הוא: מצא k1 A + hυ A A A * * k + M A + M k B * M מייצגת מולקולה הנוכחת בתערובת הראקציה כולל מולקולות אינרטיות שהוסיפו לתערובת הראקציה. ביטוי עבור קצב יצירת B ואת הצורות הגבוליות של ביטוי זה עבור לחץ גבוה ולחץ נמוך. 11

12 גיליון מספר 7: תרגילים בתיאוריה הקינטית של הגזים שאלה 1 בשני מכלים נמצאים Ne ו-,Ar הארגון נמצא בתנאים כאלה שהטמפרטורה המוחלטת שלו היא פי שתיים מזו של הניאון. וצפיפותו מחצית מזו של הניאון מהו יחס ההתנגשויות על הקירות? משקלים אטומיים: 40= Ar A. Ne,0= A שאלה חשב את יחס הצפיפויות של Kr ו- Ar בנקודת הרתיחה שלהם בלחץ אטמוספרי. נקודות הרתיחה של Ar ו- Kr בהתאמה הוא: -185 o C ו- -15 o C והמשקלים האטומיים הם: 40.0 ו- 8.8 בהתאמה. חשב את יחס המהירויות המולקולריות בתנאים אלה? ( ( א. שאלה o מהי פרקצית המולקולות של מימן ב- 5 C בעלת אנרגיה קינטית?kT+10% ב. כנ"ל אבל בטמפרטורה 500? o C ג. כנ"ל אבל במקום מימן כספית? שאלה 4 א. חשב את שבר המולקולות ליחידת מהירות עבור מולקולת יוד ב- 0 o C להם מהירות 500. m/s ב. חשב את השבר עבור מולקולת מימן באותם תנאים. ג. מהי המהירות הממוצעת של שני הגזים ב- 0. o C למול אחד של הגז ארגון שאלה 5 gr/mol) (M(argon) = 40 בטמפרטורה של 1000 K יש פי 10 אנרגיה קינטית מאשר למול אחד של דאוטריום gr/mol) (M(D ) = 4 באותה טמפרטורה מכיוון ש: המשקל האטומי של ארגון גדול פי 10 מהמשקל המולקולרי של דאוטריום. המשפט איננו נכון. לשניהם יש אותה אנרגיה קינטית. בגלל שדאוטריום בנוי ממולקולות דו-אטומיות. אין אפשרות לענות על השאלה מכיוון שהאנרגיה הקינטית למול גז תלויה בצפיפות הגז ואין עליה נתונים בשאלה. 1

13 גיליון מספר 8: תרגילים בתיאוריה הקינטית של הגזים שאלה 6, יש מימד של לפונקצית התחלקות המהירויות בשלושה מימדים: M f ( v) = 4π ( ) πrt / v mv exp( ) RT v/1 מכיוון ש: השאלה איננה נכונה ל f(v) אין מימד. השאלה איננה נכונה ל f(v) יש מימד של v. ל f(v) יש מימד של טמפרטורה. אין אפשרות לדעת כי M ו T לא מוגדרים. (v f ( הוא פרקציית מולקולות ולפרקציה אין מימד. dv סדר את הגדלים הבאים לפי הגודל: א. מהירות.rms ב. המהירות המסתברת ביותר. ג. מהירות ממוצעת. הסבר. שאלה 7 שאלה 8 חשב מהירות ממוצעת של CH 4 ב K וב- 77. K 0? A מה יהיה מהלכו החופשי של He הנמצא בלחץ שאלה 9 מ"מ כספית וב 5 o C קוטר He שאלה 40 מיכל הנמצא ב C מכיל H ו O בלחץ כללי של 1 אטמוספירה. התערובת מכילה 6% משקלי של H. 0 o חשב את יחס מספר ההתנגשויות של שני הגזים על הקירות. 1

14 א( ג( גיליון מספר 9: תרגילים בתיאוריה הקינטית של הגזים שאלה 41 האנרגיה הקינטית של מול חנקן gr/mol) (M(N ) = 8 ב K היא בערך.. kcal/mol.1.0 kcal/mol..0 kj/mol..0 kerg/mol.4 אין אפשרות לדעת. 5. שאלה 4 I ב 500 o K ובלחץ 1 אטמוספירה, ריכוזי המימן והיוד בתערובת שווים. נתונה תערובת H ו חשב את מספר ההתנגשויות ליחידת זמן ליחידת נפח של: I o d =.76A, d =. 18A H o ( מימן-מימן. (ב) מימן-יוד. ( יוד-יוד. שאלה 4 מה הסיכוי שמולקולת חמצן בלחץ אטמוספירי ובטמפרטורת החדר תנוע d O = A cm (.1 cm ( מבלי להתנגש במולקולה אחרת? שאלה 44 H. + CH 4 מהירותה נמדדה באמצעות מעקב אחרי העלמות אטומי המימן ע"י CH + H נתונה הריאקציה: מדידת הבליעה שלהם באורך גל 115. Å הרכוז ההתחלתי של אטומי המימן איננו נתון אולם ידוע ש [H] 0.[CH mol/cm ידוע שלריאקציה אנרגית 4 ] 0 = >> 0 ] 4.[CH הריכוז ההתחלתי של CH 4 הוא 15. kcal/mo נניח שהקבוע הסטרי הוא יחידה. ידועים כמו-כן הנתונים: M H = 1 1 g/mol אקטיבציה של.d H = 0.8 Å, d CH4 =. Å,g/mol, M C = חשב את זמן מחצית הערך להעלמות אטומי המימן בטמפרטורה של. 5 o C 14

15 שאלה 45 v ו- v 1 m חלקיק בעל מסה m 1 מתנגש בחלקיק בעל מסה כאשר המהירויות שלהם הן בהתאמה. האנרגיה העומדת לרשות המערכת לצורך ריאקציה כימית ניתנת ע"י:.1/m 1 v 1 + 1/m v.1/(m 1 +m ) (v 1 +v ) m1 m. 1/ ( v1 + v ) m1 + m.1/(m 1 +m ) (v 1 -v ) m1 m. 1/ ( v1 v ) m + m 1 א. ב. ג. ד. ה. 15

16 ג( ד( ה( טו( גיליון מספר 10: תרגילים בראקציות הטרוגניות שאלה 46 מתכות מסוימות מתחמצנות ומתכסות שכבת תחמוצת שעובייה y התלוי בזמן לפי: y = k t + k 1 א. לפי ביטוי זה, מהירות היווצרות התחמוצת תלויה בעובי שכבת התחמוצת, מהוא סדר ראקצית היווצרות השכבה? ב. התוכל ליחס משמעות לאיברים השונים k 1 ו k? שאלה 47 הסבר את העובדות הבאות: ( פרוק NH מעל W נגסטן) מסדר אפס. ( פרוק N O מעל Au מסדר ראשון. ( חבור אטומי מימן מעל Au מסדר שני. P NH P / H ( מהירות פירוק NH מעל Pt יחסית ל- מהירות פירוק NH מעל Mo קטנה חזק עם עלית ריכוז N, אולם אינה מגיעה לאפס כאשר השטח של ה ( רווי.N Mo שאלה 48 פירוק של חומצה גלוטמית מתרחש בנוכחות אנזים.glutamate dehydrogenase נמדדו ערכים של קצב הפירוק של החומצה בריכוזים שונים של הסובסטראט ובנוכחות ריכוז קבוע של ה- dehydrogenase :glutamate [S], M Rate, M /sec מנגנון הראקציה נתון ע"י: X S + C cat X P + C cat ראקציה זאת נקראת ראקצית מיכאליס-מנטן מצא את קבוע הראקצה k. app 16