【单选题】二级反应的半衰期A. 与反应物的初始浓度无关B. 与反应物的初始浓度成反比C. 与反应物的初始浓度成正比D. 无法判断
A. 与反应物的初始浓度无关
B. 与反应物的初始浓度成反比
C. 与反应物的初始浓度成正比
D. 无法判断
题目解答
答案
解析
本题考查二级反应半衰期的相关知识。解题思路是先明确二级反应的速率方程,然后通过积分得到浓度与时间的关系,最后根据半衰期的定义求出二级反应半衰期的表达式,进而分析其与反应物初始浓度的关系。
步骤一:明确二级反应的速率方程
对于二级反应,其速率方程为:$-\frac{d c}{d t}=k c^{2}$,其中$c$是反应物的浓度,$t$是反应时间,$k$是反应速率常数。
步骤二:对速率方程进行积分
将速率方程变形为$\frac{d c}{c^{2}}=-k d t$,然后对两边进行积分。积分区间为从反应物的初始浓度$c_0$到时间$t$时的浓度$c$,时间从$0$到$t$,即$\int_{c_0}^{c} \frac{d c}{c^{2}}=-\int_{0}^{t} k d t$。
根据积分公式$\int \frac{1}{x^2}dx=-\frac{1}{x}+C$,可得$-\left(\frac{1}{c}-\frac{1}{c_0}\right)=-k t$,进一步整理得到$\frac{1}{c}-\frac{1}{c_0}=k t$。
步骤三:根据A内容
本题为单选题,各选项内容如下:
A:与反应物的初始浓度无关;
B:与反应物的初始浓度成反比;
C:与反应物的初始浓度成正比;
D:无法判断。
步骤四:根据半衰期的定义求出二级反应半衰期的表达式
半衰期$t_{1/2}$是指反应物浓度降低到初始浓度一半时所需的时间,即当$c = \frac{c_0}{2}$时,代入$\frac{1}{c}-\frac{1}{c_0}=k t$中,可得$\frac{1}{\frac{c_0}{2}}-\frac{1}{c_0}=k t_{1/2}$。
化简$\frac{1}{\frac{c_0}{2}}-\frac{1}{c_0}$,$\frac{1}{\frac{c_0}{2}}-\frac{1}{c_0}=\frac{2}{c_0}-\frac{1}{c_0}=\frac{1}{c_0}$,所以$\frac{1}{c_0}=k t_{1/2}$,则$t_{1/2}=\frac{1}{k c_0}$。
步骤五:分析二级反应半衰期与反应物初始浓度的关系
由$t_{1/2}=\frac{1}{k c_0}$可知,在反应速率常数$k$一定的情况下,半衰期$t_{1/2}$与反应物的初始浓度$c_0$成反比。