Две химические реакции при температуре 20ºС протекают с одинаковой скоростью. При повышении температуры на каждые 10ºС скорость первой реакции увеличивается в 3 раза, второй - в 4 раза. При какой температуре скорость второй реакции в три раза превысит скорость первой?
Для решения задачи воспользуемся законом Аррениуса, который описывает зависимость скорости реакции от температуры. Условно обозначим скорости реакций при температуре T как k1(T) k_1(T) k1(T) и k2(T) k_2(T) k2(T).
При повышении температуры на 10ºС скорость первой реакции увеличивается в 3 раза, а второй - в 4 раза. Можно выразить скорости реакций в зависимости от температуры:
Пусть при температуре T T Tгде(T=20ºC)где ( T = 20ºC )где(T=20ºC) скорости реакций равны:
k1(20)=k k_1(20) = k k1(20)=k
k2(20)=k k_2(20) = k k2(20)=k
При температуре T+10n T + 10n T+10nгде(n)−количествоповышенийна10ºСгде ( n ) - количество повышений на 10ºСгде(n)−количествоповышенийна10ºС, скорости реакций будут:
k1(20+10n)=3nk k_1(20 + 10n) = 3^n k k1(20+10n)=3nk
k2(20+10n)=4nk k_2(20 + 10n) = 4^n k k2(20+10n)=4nk
Мы ищем такую температуру, при которой скорость второй реакции в три раза превышает скорость первой:
Для решения задачи воспользуемся законом Аррениуса, который описывает зависимость скорости реакции от температуры. Условно обозначим скорости реакций при температуре T как k1(T) k_1(T) k1 (T) и k2(T) k_2(T) k2 (T).
При повышении температуры на 10ºС скорость первой реакции увеличивается в 3 раза, а второй - в 4 раза. Можно выразить скорости реакций в зависимости от температуры:
k1(T+10)=3k1(T) k_1(T + 10) = 3 k_1(T) k1 (T+10)=3k1 (T)
k2(T+10)=4k2(T) k_2(T + 10) = 4 k_2(T) k2 (T+10)=4k2 (T)
Пусть при температуре T T T где(T=20ºC)где ( T = 20ºC )где(T=20ºC) скорости реакций равны:
k1(20)=k k_1(20) = k k1 (20)=k
k2(20)=k k_2(20) = k k2 (20)=k
При температуре T+10n T + 10n T+10n где(n)−количествоповышенийна10ºСгде ( n ) - количество повышений на 10ºСгде(n)−количествоповышенийна10ºС, скорости реакций будут:
k1(20+10n)=3nk k_1(20 + 10n) = 3^n k k1 (20+10n)=3nk
k2(20+10n)=4nk k_2(20 + 10n) = 4^n k k2 (20+10n)=4nk
Мы ищем такую температуру, при которой скорость второй реакции в три раза превышает скорость первой:
k2(20+10n)=3k1(20+10n) k_2(20 + 10n) = 3 k_1(20 + 10n) k2 (20+10n)=3k1 (20+10n)
Подставим выражения для скоростей:
4nk=3⋅(3nk) 4^n k = 3 \cdot (3^n k) 4nk=3⋅(3nk)
Сократим k k k поусловию(k≠0)по условию ( k \neq 0 )поусловию(k=0):
4n=3⋅3n 4^n = 3 \cdot 3^n 4n=3⋅3n
Перепишем уравнение:
4n=3n+1 4^n = 3^{n+1} 4n=3n+1
Теперь логарифмируем обе части:
nlog(4)=(n+1)log(3) n \log(4) = (n + 1) \log(3) nlog(4)=(n+1)log(3)
Решим это уравнение для n n n:
nlog(4)=nlog(3)+log(3) n \log(4) = n \log(3) + \log(3) nlog(4)=nlog(3)+log(3)
n(log(4)−log(3))=log(3) n(\log(4) - \log(3)) = \log(3) n(log(4)−log(3))=log(3)
n=log(3)log(4)−log(3) n = \frac{\log(3)}{\log(4) - \log(3)} n=log(4)−log(3)log(3)
Теперь подставим значение n n n в T+10n T + 10n T+10n:
T=20+10n=20+10⋅log(3)log(4)−log(3) T = 20 + 10n = 20 + 10 \cdot \frac{\log(3)}{\log(4) - \log(3)} T=20+10n=20+10⋅log(4)−log(3)log(3)
Посчитаем log(3) \log(3) log(3) и log(4) \log(4) log(4) вразнойлогарифмическойбазе,например,десятичнойв разной логарифмической базе, например, десятичнойвразнойлогарифмическойбазе,например,десятичной:
log(3)≈0.4771,log(4)≈0.6021 \log(3) \approx 0.4771, \quad \log(4) \approx 0.6021
log(3)≈0.4771,log(4)≈0.6021
Теперь подставим эти значения:
n=0.47710.6021−0.4771=0.47710.125≈3.816 n = \frac{0.4771}{0.6021 - 0.4771} = \frac{0.4771}{0.125} \approx 3.816
n=0.6021−0.47710.4771 =0.1250.4771 ≈3.816
Теперь найдем T T T:
T=20+10×3.816=20+38.16≈58.16ºC T = 20 + 10 \times 3.816 = 20 + 38.16 \approx 58.16ºC
T=20+10×3.816=20+38.16≈58.16ºC
Таким образом, при температуре приблизительно 58.2ºС скорость второй реакции в три раза превысит скорость первой.