在一个化学反应中,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 分钟后,X 和 Y 的浓度,单位为摩尔每千升 (mol/kL)。 X 和 Y 的初始浓度分别由 和 mol/kL 给出。
- (a)
在某次 Y 过量的特定实验中,反应速率可以建模为准一级反应,从而得到微分方程 其中 a 是一个正常数。
- (i)
求解该微分方程,用 t、x_0 和 a 表示 x。
- (ii)
该反应的半衰期(记作 )定义为 X 的浓度减少到其初始值的一半所需的时间。证明
- (i)
- (b)
在化学家进行的另一项实验中,反应速率与 X 的浓度与 Y 浓度的平方的乘积成正比。已知在反应过程中的任意时刻,每 1 mol 的 X 与 2 mol 的 Y 反应,得到方程
X 和 Y 的初始浓度分别为 1 mol/kL 和 4 mol/kL。
- (i)
证明 。
- (ii)
已知在实验开始 1 分钟时,X 的浓度为 0.5 mol/kL。求实验开始 2 分钟时 X 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 and integrate both sides
2. Use the initial conditions to find the constant of integration
Given that the initial concentration of X is , we have when :
3. Substitute the constant back and make $x$ the subject
11(a)(ii)
1. Concisely obtain the solution for $x$ from the differential equation in (a)(i).
Given when , we have .
2. Substitute the half-life condition into the concentration equation.
For half-life , the concentration decreases to half of its initial value, so .
Substituting and into :
3. Solve for $t_{0.5}$ using logarithms.
Divide both sides by :
Take the natural logarithm on both sides:
11(b)(i)
1. Express the concentration $y$ in terms of $x$ using the given initial concentrations and relationship.
Given the relationship , substitute the initial concentrations and :
2. Formulate the differential equation from the given proportionality and substitute $y$ to show the required form.
The rate of the reaction is directly proportional to . Since reacts to form a product, its concentration decreases over time, so its rate of change is negative. Let be a positive constant of proportionality:
Substitute into the equation:
Letting , since , is also a positive constant. Thus:
11(b)(ii)
1. Separate the variables and express the algebraic fraction in partial fractions.
\n\nLet .\n\nSubstituting .\nSubstituting .\nComparing coefficients of .\n
2. Integrate both sides to find the general solution.
\nSince concentration , we can drop the modulus:\n
3. Apply the initial condition to find $C$, and use $t=1$ to find $b$.
At the start (), :\n\nAt , :\n\n\n
4. Determine the equation at $t=2$ and use a graphing calculator to solve for $x$.
At , the right-hand side of the equation is:\n\n\nThus, we need to solve for :\n\nUsing a graphing calculator,\n
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