在化学反应中,化合物 X 和 Y 反应生成一种产物。设 和 分别表示在实验开始后 分钟时, 和 的浓度,单位为摩尔每千升(mol/kL)。 和 的初始浓度分别由 和 mol/kL 给出。
- (a)
在一个特定的实验中,当 过量存在时,反应速率可以建模为准一级反应,从而得到微分方程 ,其中 是一个正数常数。
- (i)
求解该微分方程,用 、 和 表示 。
- (ii)
该反应的半衰期记作 ,定义为 的浓度降低到其初始值一半所需的时间。证明 。
- (i)
- (b)
在化学家进行的另一项实验中,反应速率与 的浓度与 的浓度平方的乘积成正比。已知在反应过程中的任何时刻,每 1 mol 的 与每 2 mol 的 发生反应,得到方程 。
和 的初始浓度分别为 1 mol/kL 和 4 mol/kL。
- (i)
证明 ,其中 是一个正数常数。
- (ii)
已知在实验开始后 1 分钟的瞬间, 的浓度为 0.5 mol/kL。求实验开始后 2 分钟的瞬间 的浓度,结果保留 3 位有效数字。
- (i)
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完整解法
11(a)(i)
1. Separate the variables $x$ and $t$, and set up the integrals.
2. Integrate both sides to obtain the general solution.
(Since represents concentration, and the absolute value can be omitted.)
3. Apply the initial condition to find the constant of integration.
Given that the initial concentration of is , when , .
4. Rearrange the equation to express $x$ in terms of $t$, $x_0$ and $a$.
11(a)(ii)
1. Set up the equation using the given definition of half-life and the solution from part (a)(i).
From part (a)(i), the solution to the differential equation is .
Given that is the time taken for to reach half its initial value (), substitute and into the equation:
2. Simplify and solve the resulting exponential equation for $t_{0.5}$.
Divide both sides by :
Take the natural logarithm on both sides:
t_{0.5} = \frac{\ln 2}{a} \text{ (shown)}
11(b)(i)
1. Express $y$ in terms of $x$ using the initial conditions.
Given the equation , and the initial concentrations and :
2. Formulate the differential equation and substitute $y$ to obtain the final equation.
The rate of the reaction (the rate of consumption of ) is proportional to . Since the concentration of is decreasing, its rate of change is negative:
Substituting into the equation:
Letting , which is a positive constant since , we have:
11(b)(ii)
1. Separate variables and perform partial fraction decomposition on the integrand.
Let .
Substituting gives .
Substituting gives .
Comparing coefficients of : .
Thus, .
2. Integrate both sides to obtain the general solution.
Since concentration , this simplifies to:
3. Use the initial condition $x = 1$ at $t = 0$ to find the constant of integration $C$.
From the problem context, the initial concentration of is , so when .
Substituting and :
So the equation becomes:
4. Use the condition $x = 0.5$ at $t = 1$ to determine the constant $b$.
Given when :
5. Substitute $t = 2$ and solve the resulting non-linear equation for $x$ using a graphing calculator.
Substitute and the value of :
Using a graphing calculator to solve for :
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