Әрекеттесуші массалар заңына, параллель жүретін реакциялар теңдеулері, теориялық

Оқулықтық тірек

• Оспанова М. Қ., Аухадиева Қ. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9-сынып», 1-бөлім, 9-сынып, Мектеп, 2019, 56–60, 62 б.
• Оспанова М. Қ., Аухадиева Қ. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9-сынып», 1-бөлім, 9-сынып, Мектеп, 2019, 82, 83, 88, 89 б.
• Оспанова М. Қ., Аухадиева Қ. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9-сынып», 1-бөлім, 9-сынып, Мектеп, 2019, 93–96 б.
• Оспанова М. Қ., Аухадиева Қ. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9-сынып», 2-бөлім, 9-сынып, Мектеп, 2019, 24–26, 28, 29 б.
• Оспанова М. Қ., Аухадиева Қ. С., Белоусова Т. Г. «Химия. 9-сынып», 2-бөлім, 9-сынып, Мектеп, 2019, 57–59, 61 б.
• Википедия, «Закон действующих масс», https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_действующих_масс
• Chemistry LibreTexts, «Rate Laws», https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Chemistry_1e_(OpenSTAX)/12%3A_Kinetics/12.3%3A_Rate_Laws
• Википедия, «Законы электролиза Фарадея», https://ru.wikipedia.org/wiki/Законы_электролиза_Фарадея

Негізгі ұғымдар

• Реакция жылдамдығы — бастапқы заттың немесе өнімнің концентрациясының уақыт бірлігіндегі өзгерісі; бірлігі моль/(л·с), моль/(л·мин).
• Температураны 10 °C-қа арттырғанда жылдамдық 2–4 есе өседі.
• Шығым $\eta$ — практикалық өнімнің теориялық өнімге қатынасы; әрқашан $\le 100\%$.
• Техникалық үлгі — қоспасы бар зат; теңдеуге тек таза заттың массасы қойылады.
• Параллель реакциялар — бір зат бір мезгілде екі бағытта әрекеттеседі; өнімді мольдік қатынас анықтайды.
• Олеум — $H_2SO_4 \cdot nSO_3$, күкірт қышқылындағы $SO_3$ ерітіндісі.
• Пластинка есебі — белсенді металл тұздан белсенділігі төмен металды ығыстырады; пластинка массасы «бөлінген − еріген» шамасына өзгереді.
• Электролиз — катодта тотықсыздану, анодта тотығу; есеп теңдеу бойынша жүргізіледі.

Теория

1. Кинетика. $A + B = D + F$ реакциясының орташа жылдамдығы: $v = -\frac{\Delta c}{\Delta t} = \frac{c_1 - c_2}{t_2 - t_1}.$ Бастапқы заттың концентрациясы кемиді ($\Delta c < 0$), ал жылдамдық оң шама, сондықтан «минус» таңбасы қойылады. Гомогенді реакцияларда (ерітінділер, газдар) $v = \pm\dfrac{\Delta n}{V \cdot \Delta t}$, гетерогенді реакцияларда (фазалар шекарасында) $v = \pm\dfrac{\Delta n}{S \cdot \Delta t}$, $S$ — қатты заттың бетінің ауданы.

Жылдамдыққа әсер ететін факторлар: заттардың табиғаты, концентрация (газдар үшін — қысым), жанасу беті, температура, катализатор. Қатты затқа концентрация емес, бет ауданы әсер етеді.

2. Шығым. Жанама реакциялар мен шығындар салдарынан өнім теңдеудегіден аз шығады. Алдымен теңдеу бойынша теориялық өнім табылады, содан кейін $\eta$-ға көбейтеді (немесе практикалықты теориялыққа бөледі). Газдар үшін көлемдік үлес $\varphi$ қолданылады.

3. Қоспалар. $m_{техн} = m_{таза} + m_{қоспа}$; $\omega_{қоспа} + \omega_{таза} = 100\%$. Қоспа реакцияға түспейді, сондықтан есеп таза зат бойынша жүргізіледі, қажет болса техникалық үлгіге қайта есептеледі.

4. Параллель реакциялар. $CO_2$ сілтімен әрекеттескенде: $CO_2 + 2NaOH \rightarrow Na_2CO_3 + H_2O, \qquad CO_2 + NaOH \rightarrow NaHCO_3.$ Алдымен мөлшерлерді (моль) тауып, мольдік қатынас бойынша реакцияны таңдайды: $n(NaOH)/n(CO_2) \ge 2$ — орта тұз, $=1$ — қышқыл тұз.

5. Олеум. Түзілуі: $SO_3 + H_2SO_4 \rightarrow H_2SO_4 \cdot SO_3$. Су қосқанда барлық $SO_3$ қышқылға айналады: $H_2SO_4 \cdot SO_3 + H_2O \rightarrow 2H_2SO_4, \qquad SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4.$ Процесс көп жылу бөледі.

6. Орынбасу (пластинка). $Me_1 + Me_2A \rightarrow Me_1A + Me_2$; $Me_1$ кернеу қатарында $Me_2$-ден сол жақта тұруы керек. Мысалы, $Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu\downarrow$.

7. Электролиз. Белсенді металдар (сілтілік, сілтілік-жер, алюминий) тек балқыма электролизімен алынады: $2KCl \xrightarrow{\text{электролиз}} 2K + Cl_2\uparrow, \qquad 2Al_2O_3 \xrightarrow{\text{электролиз}} 4Al + 3O_2\uparrow$ (криолит $Na_3AlF_6$ балқу температурасын төмендетеді). Ерітінді: $CuCl_2 \to Cu + Cl_2\uparrow$.

Есептеу формулалары. Әрекеттесуші массалар заңы: $v = k[A]^a[B]^b$ (элементар реакцияда дәрежелер коэффициенттерге тең). Фарадей заңы: $m = \dfrac{M I t}{n F}$. Мысал: 2 А тоқ 9650 с өткенде $Q = 19\,300$ Кл, $n(e^-) = 0{,}2$ моль; $CuSO_4$ ерітіндісінен $0{,}1$ моль Cu, яғни $6{,}4$ г бөлінеді.

Формулалар / ережелер

Есеп түрі	Формула
Орташа жылдамдық	$v = \dfrac{\lvert\Delta c\rvert}{\Delta t}$
Температура әсері	$\dfrac{v_2}{v_1} = \gamma^{\frac{t_2 - t_1}{10}}$, $\gamma = 2\ldots4$
Шығым	$\eta = \dfrac{m_{практ}}{m_{теор}} \cdot 100\%$, $\varphi = \dfrac{V_{практ}}{V_{теор}} \cdot 100\%$
Қоспа	$m_{таза} = m_{техн}(1 - \omega_{қоспа})$, $m_{техн} = \dfrac{m_{таза}}{1 - \omega_{қоспа}}$
Пластинка	$\Delta m = m(\text{бөлінген}) - m(\text{еріген})$
Газ көлемі (қ.ж.)	$V = n \cdot 22{,}4$ л/моль

Мысалдар

1. Жылдамдық. $A$ затының концентрациясы 10 минутта 0,6-дан 0,4 моль/л-ге дейін төмендеді. $v = (0{,}6 - 0{,}4)/10 = 0{,}02$ моль/(л·мин). Ал егер $\gamma = 3$ болып, температура 150-ден 200 °C-қа көтерілсе: 5 қадам, $3^5 = 243$ есе жылдамдайды.
2. Шығым. 60 г $Mg$ күкірт қышқылымен әрекеттесті, шығым 95%. $Mg + H_2SO_4 = MgSO_4 + H_2\uparrow$; $n(Mg) = 60/24 = 2{,}5$ моль; $V_{теор} = 2{,}5 \cdot 22{,}4 = 56$ л; $V_{практ} = 56 \cdot 0{,}95 = 53{,}2$ л.
3. Қоспа. 10% қоспасы бар 240 г пириттен қанша $SO_2$ алынады? $m(FeS_2) = 216$ г, $n = 216/120 = 1{,}8$ моль. $4FeS_2 + 11O_2 = 2Fe_2O_3 + 8SO_2$: $n(SO_2) = 2 \cdot 1{,}8 = 3{,}6$ моль, $V = 3{,}6 \cdot 22{,}4 = 80{,}64$ л.
4. Олеум, пластинка, электролиз.
   • 200 г олеум (20% $SO_3$) сумен сұйытылды: $m(SO_3) = 40$ г, $n = 0{,}5$ моль → 0,5 моль $H_2SO_4$ (49 г); бастапқы қышқыл 160 г; барлығы $160 + 49 = 209$ г $H_2SO_4$.
   • 2,8 г темір $CuSO_4$ ерітіндісіне батырылды: $n(Fe) = 0{,}05$ моль = $n(Cu)$; $m(Cu) = 3{,}2$ г; пластинка массасы $3{,}2 - 2{,}8 = 0{,}4$ г-ға артады.
   • Өз мысалымыз: 102 г $Al_2O_3$ (1 моль) балқымасын электролиздегенде $2Al_2O_3 \to 4Al + 3O_2$ бойынша 2 моль $Al$ (54 г) және 1,5 моль $O_2$ (33,6 л) бөлінеді.
5. Параллель. 4,48 л $CO_2$ (қ.ж.) 200 г 10% $NaOH$ ерітіндісінен өткізілді. $n(CO_2) = 0{,}2$ моль, $n(NaOH) = 20/40 = 0{,}5$ моль; қатынас $2{,}5 > 2$ — сілті артық, түзілетіні $Na_2CO_3$: $0{,}2 \cdot 106 = 21{,}2$ г.

ҰБТ-дағы жиі қателер

• Шығымды бастапқы затқа қолданады: $\eta$ тек өнімге жатады; шығым 100%-дан аспайды.
• Теңдеуге техникалық үлгінің толық массасын қояды; қайта есептеуде $m_{таза}$-ны $\omega_{таза}$-ға бөлудің орнына көбейтеді.
• Параллель реакцияда мольдік қатынасты есептемей, бірден бір теңдеуді таңдайды.
• Олеумді таза $H_2SO_4$ деп санайды; сұйытқанда $SO_3$-тен түзілген қосымша қышқылды ұмытады.
• Пластинка есебінде тек бөлінген металдың массасын алады, еріген металдың массасын азайтпайды.
• Электролизде катод пен анодты шатастырады; натрийді немесе алюминийді тұз ерітіндісінен алуға болады деп ойлайды.

Өзіңді тексер

1. Концентрация 20 секундта 1,0-ден 0,6 моль/л-ге дейін төмендеді. Жылдамдық неге тең? — 0,02 моль/(л·с).
2. Теориялық 18 г $H_2$, шығым 80%. Практикалық масса? — 14,4 г.
3. 50 г әктастан 10 л $CO_2$ бөлінді. Қоспаның үлесі? — $n(CO_2) \approx 0{,}446$ моль, $m(CaCO_3) = 44{,}6$ г, қоспа 5,4 г — 10,8%.
4. $n(NaOH)/n(CO_2) = 1$ болса, қандай тұз түзіледі? — $NaHCO_3$.
5. $CuCl_2$ ерітіндісін электролиздегенде катод пен анодта не бөлінеді? — Катодта $Cu$, анодта $Cl_2$.