题目
5.对反应 arrow P, 当A反应掉 dfrac (3)(4) 所需时间为A反应掉 dfrac (1)(2) 所-|||-需时间的3倍时,该反应是几级反应?当A反应掉 dfrac (3)(4) 所需时间为-|||-A反应掉 dfrac (1)(2) 所需时间的5倍时,该反应又是几级反应?请用计算-|||-式说明。

题目解答
答案

解析
步骤 1:确定反应级数的表达式
对于反应 $A \rightarrow P$,反应级数为 $n$ 的速率方程的积分式为:
\[ t = \frac{{C_A}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} \]
其中,$C_A$ 是反应物A的浓度,$C_{A0}$ 是反应物A的初始浓度,$k$ 是反应速率常数,$n$ 是反应级数。
步骤 2:计算反应掉 $\frac{1}{2}$ 所需时间
当反应物A反应掉 $\frac{1}{2}$ 时,$C_A = \frac{1}{2}C_{A0}$,代入上述积分式得:
\[ t_{1/2} = \frac{{(\frac{1}{2}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} \]
步骤 3:计算反应掉 $\frac{3}{4}$ 所需时间
当反应物A反应掉 $\frac{3}{4}$ 时,$C_A = \frac{1}{4}C_{A0}$,代入上述积分式得:
\[ t_{3/4} = \frac{{(\frac{1}{4}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} \]
步骤 4:根据题目条件求解反应级数
当 $t_{3/4} = 3t_{1/2}$ 时,代入上述两个时间表达式,得:
\[ \frac{{(\frac{1}{4}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} = 3 \times \frac{{(\frac{1}{2}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} \]
化简得:
\[ {(\frac{1}{4})}^{1-n} - 1 = 3 \times ({(\frac{1}{2})}^{1-n} - 1) \]
解得 $n = 2$,即该反应为二级反应。
当 $t_{3/4} = 5t_{1/2}$ 时,代入上述两个时间表达式,得:
\[ \frac{{(\frac{1}{4}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} = 5 \times \frac{{(\frac{1}{2}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} \]
化简得:
\[ {(\frac{1}{4})}^{1-n} - 1 = 5 \times ({(\frac{1}{2})}^{1-n} - 1) \]
解得 $n = 3$,即该反应为三级反应。
对于反应 $A \rightarrow P$,反应级数为 $n$ 的速率方程的积分式为:
\[ t = \frac{{C_A}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} \]
其中,$C_A$ 是反应物A的浓度,$C_{A0}$ 是反应物A的初始浓度,$k$ 是反应速率常数,$n$ 是反应级数。
步骤 2:计算反应掉 $\frac{1}{2}$ 所需时间
当反应物A反应掉 $\frac{1}{2}$ 时,$C_A = \frac{1}{2}C_{A0}$,代入上述积分式得:
\[ t_{1/2} = \frac{{(\frac{1}{2}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} \]
步骤 3:计算反应掉 $\frac{3}{4}$ 所需时间
当反应物A反应掉 $\frac{3}{4}$ 时,$C_A = \frac{1}{4}C_{A0}$,代入上述积分式得:
\[ t_{3/4} = \frac{{(\frac{1}{4}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} \]
步骤 4:根据题目条件求解反应级数
当 $t_{3/4} = 3t_{1/2}$ 时,代入上述两个时间表达式,得:
\[ \frac{{(\frac{1}{4}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} = 3 \times \frac{{(\frac{1}{2}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} \]
化简得:
\[ {(\frac{1}{4})}^{1-n} - 1 = 3 \times ({(\frac{1}{2})}^{1-n} - 1) \]
解得 $n = 2$,即该反应为二级反应。
当 $t_{3/4} = 5t_{1/2}$ 时,代入上述两个时间表达式,得:
\[ \frac{{(\frac{1}{4}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} = 5 \times \frac{{(\frac{1}{2}C_{A0})}^{1-n} - {C_{A0}}^{1-n}}{k(n-1)} \]
化简得:
\[ {(\frac{1}{4})}^{1-n} - 1 = 5 \times ({(\frac{1}{2})}^{1-n} - 1) \]
解得 $n = 3$,即该反应为三级反应。