В каком случае скорость будет положительной отрицательной. Физики создали луч света с отрицательной скоростью

Тестовые вопросы по физической химии (химическая кинетика и электрохимия)

1. При каких условиях константа скорости химической реакции А + В àС равна скорости реакции, т. е. W = К?

1) в элементарных химических реакциях;

2) когда реагирующие компоненты находятся в газовой фазе;

3) когда концентрации реагирующих компонентов равны единице,

т. е. СА = СВ = 1;

4) когда реакция идет на границе раздела фаз;

5) константа скорости не может быть равна скорости реакции.

2. Каков физический смысл константы скорости химической реакции?

1) константа скорости равна скорости химической реакции, если она протекает в газовой фазе;

2) константа скорости равна скорости химической реакции, если концентрации реагирующих веществ равны единице;

3) константа скорости равна скорости реакции, если она протекает на границе раздела фаз;

4) константа скорости вообще не имеет физического смысла;

5) константа скорости равна скорости для элементарных, одностадийных химических реакций.

3. Что такое константа скорости химической реакции?

1) константа скорости - это удельная скорость для элементарной, одностадийной реакции;

2) константа скорости - это скорость химической реакции, протекающей в газовой фазе;

3) константа скорости - это скорость химической реакции, протекающей на границе раздела фаз;

4) константа скорости - это скорость химической реакции, когда концентрации реагирующих веществ равны единице, т. е. СА = СВ = 1 и W = К для реакции А + В à С;

5) константа скорости - это скорость химической реакции, когда реагирующие вещества ведут себя как молекулы идеальных газов.

4. Какова размерность константы скорости химической реакции нулевого порядка?

1) конц.-1время-1; 2) конц.1 время-1; 3) время-1;

5) конц.2время-1; 5) конц.-2время-1 .

5. Какова размерность константы скорости химической реакции первого порядка?

1) конц.-1время-1; 2) конц.1время-1; 3)время-1; 4) конц.-2время-1; 5) конц.-1.

6. Какова размерность константы скорости химической реакции второго порядка?

1) конц.-1время-1; 2) конц.1время-1; 3) время-1; 4) конц.-2время-1;

5) конц.-1время-2.

7. Что такое скорость химической реакции?

1) скорость химической реакции определяется числом молекул, реагирующих в единицу времени и единице объема;

2) скорость химической реакции определяется изменением концентрации реагирующих веществ в элементарном химическом акте;

3) скорость химической реакции определяется убылью концентрации исходного вещества в элементарном химическом акте;

4) скорость химической реакции определяется изменением концентрации исходных и полученных в результате реакции веществ;

5) скорость химической реакции определяется произведением концентрации реагирующих веществ.

8. Может ли скорость реакции быть отрицательной величиной? Что означает запись W = - dCA/dt для реакции А à В.

1) да, скорость может быть отрицательной величиной, и потому запись

W = - dCA/dt верна;

2) скорость не может быть отрицательной величиной и поэтому запись

W = - dCA/dt не верна;

3) скорость не может быть отрицательной величиной, а запись указывает на то, что скорость реакции определяется по убыли концентрации исходного вещества;

4) да, скорость может быть отрицательной величиной, а запись означает, что реакция происходит на поверхности катализатора;

5) да, скорость может быть отрицательной величиной, а запись означает, что реакция идет на границе раздела фаз.

9. Как читается основной постулат химической кинетики?

1) скорость химической реакции зависит только от концентрации конечных продуктов реакции;

2) скорость реакции в каждый момент времени пропорциональна произведению концентрации реагирующих веществ, возведенных в некоторые целочисленные или дробные степени;

3) скорость реакции прямопропорциональна произведению концентрации всех реагирующих веществ;

4) скорость реакции - это константа скорости, когда реагирующие компоненты ведут себя как молекулы идеальных газов;

5) скорость реакции - это изменение концентрации реагирующих веществ на единицу поверхности.

10. Может ли порядок реакции быть нулевым, дробным, отрицательным?

1) порядок реакции не может быть дробным и отрицательным, а нулевым может быть;

2) порядок реакции может быть только положительным числом;

3) да, порядок реакции может принимать любые значения;

4) порядок реакции может принимать отрицательные и положительные только целочисленные значения;

5) порядок реакции не может быть равен нулю, а все остальные значения могут быть.

11 . Что называется порядком реакции по веществу и общим кинетическим порядком реакции?

1) порядок реакции по веществу - это его стехиометрический коэффициент в уравнении, а общий кинетический порядок - это их сумма;

2) порядком реакции по данному веществу называют показатель степени при концентрации, входящей в уравнении типа W = , а общий порядок (n) равен их сумме, т. е. n = n1 + n2;

3) порядок реакции по данному веществу - это число молекул, участвующих в элементарном акте, а их сумма - это общий порядок реакции;

4) порядок реакции по данному веществу – это показатель степени, в которую возведена концентрация в основном кинетическом уравнении, а их произведение - это общий порядок химической реакции;

5) порядок реакции по веществу - его стехиометрический коэффициент в уравнении химической реакции, а их произведение - общий порядок.

12. Что такое молекулярность реакции?

1) молекулярность - это число молекул, участвующих в элементарном акте химической реакции;

2) молекулярность - это сумма стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции;

3) молекулярность - это изменение числа реагирующих молекул в единицу времени, в единице объема;

4) молекулярность - это изменение числа реагирующих молекул в элементарном химическом акте;

5) молекулярность - это формальная величина, которая находится экспериментальным путем.

13. Скорость химической реакции А + В à С равна 0,12 моль/л × с-1, а концентрация А и В соответственно равны: А = 0,3 моль/л и В = 0,2 моль/л. Чему равна константа скорости этой реакции?

1) 5 . 10-2 (моль/л)-1 с-1; 2) 2,0 (моль/л)-1 с-1; 3) 4,2 (моль/л)-1 с-1;

4) 1,6 . 10-3 (моль/л)-1 с-1; 5) 3,1 (моль/л)-1 с-1 .

14. Скорость химической реакции 2А à В равна 0,48 (моль/л) × с-1, а концентрация А равна 0,4 моль/л. Чему равна константа скорости этой реакции?

1) 3 (моль/л)-1 с-1; 2) 1,6 (моль/л)-1 с-1; 3) 4,8 (моль/л)-1 с-1;

4) 2,4 (моль/л)-1 с-1; 5) 4 (моль/л)-1 с-1 .

15.Что такое механизм химической реакции?

1) полное теоретическое описание процесса образования промежуточных веществ;

2) совокупность стадий, из которых складывается химическая реакция;

3) механизм - это предполагаемый выход продуктов реакции;

4) механизм - это подробное описание процессов с учетом радикалов;

5) механизм - это способ проведения химического процесса.

16. Скорость химической реакции А + В à С равна 0,25 (моль/л) × с-1 , а концентрация А и В равны 0,5 моль/л. Чему равна константа скорости химической реакции?

1) 0,15 (моль/л)-1 с-1; 2) 0,75 (моль/л)-1 с-1; 3) 0,45 (моль/л)-1 с-1;

4) 1,0 (моль/л)-1 с-1; 5) 2,5 (моль/л)-1 с-1.

17. Может ли скорость химической реакции не зависеть от концентрации реагирующих веществ? Каков порядок такой реакции?

1) скорость реакции всегда зависит от концентрации, при этом порядок реакции может принимать любые значения;

2) да, может, если химическая реакция идет в газовой фазе, а порядок реакции может быть только положительным числом;

3) да, может, если реакция идет в присутствии катализатора, а порядок реакции может принимать отрицательные и положительные значения;

4) да, может, если реакция идет как реакция нулевого порядка;

5) да, может, если концентрация одного из реагентов превышает другую, а порядок реакции при этом может быть дробным, отрицательным и положительным.

18. Как изменяется скорость реакции нулевого порядка от концентрации исходного вещества?

1) скорость реакции нулевого порядка не зависит от концентрации;

2) скорость такой реакции растет с увеличением концентрации;

3) скорость такой реакции сначала растет, а потом падает с увеличением концентрации;

4) скорость такой реакции монотонно падает во времени, с увеличением концентрации;

5) скорость такой реакции сначала падает, а затем увеличивается при уменьшении концентрации.

19. Как связана константа скорости реакции первого порядка с периодом полураспада?

1) https://pandia.ru/text/80/294/images/image003_2.png" width="59" height="45">.png" width="65" height="45">; 5)shortcodes">

Пятеро физиков из Шанхайского университета Цзяо Тун (Китай) провели эксперимент, в котором групповая скорость светового импульса, передаваемого по оптоволокну, становилась отрицательной. Чтобы понять суть опыта, необходимо вспомнить, что распространение излучения в среде можно охарактеризовать сразу несколькими величинами. В самом простом случае монохроматического пучка света используется, к примеру, понятие фазовой скорости Vф — скорости перемещения определённой фазы волны в заданном направлении. Если показатель преломления среды, зависящий от частоты, равен n(ν), то Vф = с/n(ν), где с — скорость света в вакууме.

Задача усложняется, когда мы рассматриваем прохождение импульса, содержащего несколько разных частотных компонентов. Импульс можно представить себе как результат интерференции этих компонентов, причём в его пике они будут согласованы по фазе, а в «хвостах» будет наблюдаться деструктивная интерференция (см. рис. ниже). Среда с зависящим от частоты показателем преломления изменяет характер интерференции, заставляя волны каждой отдельной частоты распространяться со своей фазовой скоростью; если зависимость n от ν линейна, то результатом изменений будет временнóе смещение пика, тогда как форма импульса останется прежней. Для описания такого движения используют групповую скорость Vг = с/(n(ν) + ν.dn(ν)/dν) = с/nг, где nг — групповой показатель преломления.

Световой импульс (иллюстрация из журнала Photonics Spectra).

При сильной нормальной дисперсии (dn(ν)/dν > 0) групповая скорость может на несколько порядков уступать скорости света в вакууме, а в случае аномальной дисперсии (dn(ν)/dν < 0) — оказаться больше с. Более того, достаточно сильная аномальная дисперсия (|ν.dn(ν)/dν| > n) даёт отрицательные значения Vг, что приводит к очень интересным эффектам: в материале с nг < 0 импульс распространяется в обратном направлении, и пик переданного импульса выходит из среды раньше, чем пик падающего импульса в неё входит. Хотя такая отрицательная временнáя задержка кажется противоестественной, она никоим образом не противоречит принципу причинности.

Приведённые выше равенства показывают, что отрицательная групповая скорость достигается при достаточно быстром уменьшении показателя преломления с ростом частоты. Известно, что подобная зависимость обнаруживается вблизи спектральных линий, в области сильного поглощения света веществом.

Распространение светового импульса в материале с отрицательным групповым показателем преломления, обозначенном красным (иллюстрация из журнала Photonics Spectra).

Китайские учёные построили свой эксперимент по уже известной схеме, в основе которой лежит нелинейный процесс вынужденного бриллюэновского рассеяния (ВБР). Этот эффект проявляется как генерация стоксовой волны, распространяющейся в противоположном (по отношению к падающей волне, часто называемой накачкой) направлении.

Суть ВБР состоит в следующем: в результате электрострикции (деформации диэлектриков в электрическом поле) накачка создаёт акустическую волну, которая модулирует показатель преломления. Созданная периодическая решётка показателя преломления движется со звуковой скоростью и отражает — рассеивает вследствие брэгговской дифракции — часть падающей волны, причём частота рассеянного излучения испытывает доплеровский сдвиг в длинноволновую область. Именно поэтому стоксово излучение имеет меньшую, чем у накачки, частоту, и эта разность определяется частотой акустической волны.

Если стоксово излучение «запускать» в направлении, противоположном распространению падающей волны, оно будет усиливаться в процессе ВБР. В то же время излучение накачки будет испытывать поглощение, что, как мы уже говорили, необходимо для демонстрации отрицательной групповой скорости. Используя 10-метровый закольцованный отрезок одномодового оптоволокна, авторы выполнили условия наблюдения отрицательной Vг и получили групповую скорость, доходившую до -0,15.с. Групповой показатель преломления при этом оказался равен -6,636.

Механическое движение представляют графическим способом. Зависимость физических величин выражают при помощи функций . Обозначают

Графики равномерного движения

Зависимость ускорения от времени . Так как при равномерном движении ускорение равно нулю, то зависимость a(t) - прямая линия, которая лежит на оси времени.

Зависимость скорости от времени. Скорость со временем не изменяется, график v(t) - прямая линия, параллельная оси времени.

Численное значение перемещения (пути) - это площадь прямоугольника под графиком скорости.

Зависимость пути от времени. График s(t) - наклонная линия.

Правило определения скорости по графику s(t): Тангенс угла наклона графика к оси времени равен скорости движения.

Графики равноускоренного движения

Зависимость ускорения от времени. Ускорение со временем не изменяется, имеет постоянное значение, график a(t) - прямая линия, параллельная оси времени.

Зависимость скорости от времени . При равномерном движении путь изменяется, согласно линейной зависимости . В координатах . Графиком является наклонная линия.

Правило определения пути по графику v(t): Путь тела - это площадь треугольника (или трапеции) под графиком скорости.

Правило определения ускорения по графику v(t): Ускорение тела - это тангенс угла наклона графика к оси времени. Если тело замедляет движение, ускорение отрицательное, угол графика тупой, поэтому находим тангенс смежного угла.

Зависимость пути от времени. При равноускоренном движении путь изменяется, согласно

Некоторые химические реакции происходят практически мгновенно (взрыв кислородно-водородной смеси, реакции ионного обмена в водном растворе), вторые — быстро (горение веществ, взаимодействие цинка с кислотой), третьи — медленно (ржавление железа, гниение органических остатков). Известны настолько медленные реакции, что человек их просто не может заметить. Так, например, преобразование гранита в песок и глину происходит в течение тысяч лет.

Другими словами, химические реакции могут протекать с разной скоростью .

Но что же такое скорость реакции ? Каково точное определение данной величины и, главное, ее математическое выражение?

Скоростью реакции называют изменение количества вещества за одну единицу времени в одной единице объема. Математически это выражение записывается как:

Где n 1 и n 2 – количество вещества (моль) в момент времени t 1 и t 2 соответственно в системе объемом V .

То, какой знак плюс или минус (±) будет стоять перед выражением скорости, зависит от того, на изменение количества какого вещества мы смотрим – продукта или реагента.

Очевидно, что в ходе реакции происходит расход реагентов, то есть их количество уменьшается, следовательно, для реагентов выражение (n 2 — n 1) всегда имеет значение меньше нуля. Поскольку скорость не может быть отрицательной величиной, в этом случае перед выражением нужно поставить знак «минус».

Если же мы смотрим на изменение количества продукта, а не реагента, то перед выражением для расчета скорости знак «минус» не требуется, поскольку выражение (n 2 — n 1) в этом случае всегда положительно, т.к. количество продукта в результате реакции может только увеличиваться.

Отношение количества вещества n к объему, в котором это количество вещества находится, называют молярной концентрацией С :

Таким образом, используя понятие молярной концентрации и его математическое выражение, можно записать другой вариант определения скорости реакции:

Скоростью реакции называют изменение молярной концентрации вещества в результате протекания химической реакции за одну единицу времени:

Факторы, влияющие на скорость реакции

Нередко бывает крайне важно знать, от чего зависит скорость той или иной реакции и как на нее повлиять. Например, нефтеперерабатывающая промышленность в буквальном смысле бьется за каждые дополнительные полпроцента продукта в единицу времени. Ведь учитывая огромное количество перерабатываемой нефти, даже полпроцента вытекает в крупную финансовую годовую прибыль. В некоторых же случаях крайне важно какую-либо реакцию замедлить, в частности коррозию металлов.

Так от чего же зависит скорость реакции? Зависит она, как ни странно, от множества различных параметров.

Для того чтобы разобраться в этом вопросе прежде всего давайте представим, что происходит в результате химической реакции, например:

A + B → C + D

Написанное выше уравнение отражает процесс, в котором молекулы веществ А и В, сталкиваясь друг с другом, образуют молекулы веществ С и D.

То есть, несомненно, для того чтобы реакция прошла, как минимум, необходимо столкновение молекул исходных веществ. Очевидно, если мы повысим количество молекул в единице объема, число столкновений увеличится аналогично тому, как возрастет частота ваших столкновений с пассажирами в переполненном автобусе по сравнению с полупустым.

Другими словами, скорость реакции возрастает при увеличении концентрации реагирующих веществ.

В случае, когда один из реагентов или сразу несколько являются газами, скорость реакции увеличивается при повышении давления, поскольку давление газа всегда прямо пропорционально концентрации составляющих его молекул.

Тем не менее, столкновение частиц является, необходимым, но вовсе недостаточным условием протекания реакции. Дело в том, что согласно расчетам, число столкновений молекул реагирующих веществ при их разумной концентрации настолько велико, что все реакции должны протекать в одно мгновение. Тем не менее, на практике этого не происходит. В чем же дело?

Дело в том, что не всякое соударение молекул реагентов обязательно будет эффективным. Многие соударения являются упругими – молекулы отскакивают друг от друга словно мячи. Для того чтобы реакция прошла, молекулы должны обладать достаточной кинетической энергией. Минимальная энергия, которой должны обладать молекулы реагирующих веществ для того, чтобы реакция прошла, называется энергией активации и обозначается как Е а. В системе, состоящей из большого количества молекул, существует распределение молекул по энергии, часть из них имеет низкую энергию, часть высокую и среднюю. Из всех этих молекул только у небольшой части молекул энергия превышает энергию активации.

Как известно из курса физики, температура фактически есть мера кинетической энергии частиц, из которых состоит вещество. То есть, чем быстрее движутся частицы, составляющие вещество, тем выше его температура. Таким образом, очевидно, повышая температуру мы по сути увеличиваем кинетическую энергию молекул, в результате чего возрастает доля молекул с энергией, превышающей Е а и их столкновение приведет к химической реакции.

Факт положительного влияния температуры на скорость протекания реакции еще в 19м веке эмпирически установил голландский химик Вант Гофф. На основании проведенных им исследований он сформулировал правило, которое до сих пор носит его имя, и звучит оно следующим образом:

Скорость любой химической реакции увеличивается в 2-4 раза при повышении температуры на 10 градусов.

Математическое отображение данного правила записывается как:

где V 2 и V 1 – скорость при температуре t 2 и t 1 соответственно, а γ – температурный коэффициент реакции, значение которого чаще всего лежит в диапазоне от 2 до 4.

Часто скорость многих реакций удается повысить, используя катализаторы .

Катализаторы – вещества, ускоряющие протекание какой-либо реакции и при этом не расходующиеся.

Но каким же образом катализаторам удается повысить скорость реакции?

Вспомним про энергию активации E a . Молекулы с энергией меньшей, чем энергия активации в отсутствие катализатора друг с другом взаимодействовать не могут. Катализаторы, изменяют путь, по которому протекает реакция подобно тому, как опытный проводник проложит маршрут экспедиции не напрямую через гору, а с помощью обходных троп, в результате чего даже те спутники, которые не имели достаточно энергии для восхождения на гору, смогут перебраться на другую ее сторону.

Не смотря на то что катализатор при проведении реакции не расходуется, тем не менее он принимает в ней активное участие, образуя промежуточные соединения с реагентами, но к концу реакции возвращается к своему изначальному состоянию.

Кроме указанных выше факторов, влияющих на скорость реакции, если между реагирующими веществами есть граница раздела (гетерогенная реакция), скорость реакции будет зависеть также и от площади соприкосновения реагентов. Например, представьте себе гранулу металлического алюминия, которую бросили в пробирку с водным раствором соляной кислоты. Алюминий – активный металл, который способен реагировать с кислотами неокислителями. С соляной кислотой уравнение реакции выглядит следующим образом:

2Al + 6HCl → 2AlCl 3 + 3H 2

Алюминий представляет собой твердое вещество, и это значит, что реакция с соляной кислотой идет только на его поверхности. Очевидно, что если мы увеличим площадь поверхности, предварительно раскатав гранулу алюминия в фольгу, мы тем самым предоставим большее количество доступных для реакции с кислотой атомов алюминия. В результате этого скорость реакции увеличится. Аналогичным образом увеличения поверхности твердого вещества можно добиться измельчением его в порошок.

Также на скорость гетерогенной реакции, в которой реагирует твердое вещество с газообразным или жидким, часто положительно влияет перемешивание, что связано с тем, что в результате перемешивания достигается удаление из зоны реакции скапливающихся молекул продуктов реакции и «подносится» новая порция молекул реагента.

Последним следует отметить также огромное влияние на скорость протекания реакции и природы реагентов. Например, чем ниже в таблице Менделеева находится щелочной металл, тем быстрее он реагирует с водой, фтор среди всех галогенов наиболее быстро реагирует с газообразным водородом и т.д.

Резюмируя все вышесказанное, скорость реакции зависит от следующих факторов:

1) концентрация реагентов: чем выше, тем больше скорость реакции

2) температура: с ростом температуры скорость любой реакции увеличивается

3) площадь соприкосновения реагирующих веществ: чем больше площадь контакта реагентов, тем выше скорость реакции

4) перемешивание, если реакция происходит меду твердым веществом и жидкостью или газом перемешивание может ее ускорить.

Роберт Бойд (Robert Boyd), профессор оптики из университета Рочестера (University of Rochester), сумел придать пучку света «отрицательную» скорость, при которой пик импульса двигался не от источника, а к нему.

Нужно вспомнить, что особым образом изменяя среду, через которую проходит свет, применяя пары рубидия, различные кристаллы, скрещивающиеся лучи лазеров и тому подобное, физики давно научились управлять скоростью светового импульса — замедляя его в десятки тысяч раз, а то и вовсе "замораживая" .

Важно понимать, что во всех этих случаях речь идёт о групповой скорости, которая характеризует быстроту распространения горба импульса света. Из-за дисперсии (рассеивания) в определённой среде горб этот может двигаться на несколько порядков медленнее, чем каждый фотон в отдельности, а также, в каких-то условиях, и наоборот — быстрее скорости света в вакууме.

О нарушении законов природы тут речи нет, так как самые первые фотоны в импульсе добегают до противоположного конца своей «испытательной дорожки» не быстрее тех самых 300 тысяч километров в секунду, и информация «быстрее света» не передаётся. В случае же остановки света речь идёт о поглощении импульса специально подготовленной средой с последующим повторным излучением его, с сохранением всех параметров исходного пучка. Так сказать «до последнего фотона».

После этого краткого экскурса становится понятным и то, что удалось проделать Бойду. Он сумел изготовить среду, в которой скорость горба импульса была отрицательной — то есть, направленной к источнику излучения.

Для этого «чуда» Бойд применил оптоволокно, легированное эрбием. Импульс, выходящий из лазера, он делил на две части. Один луч направлялся в то самое экспериментальное волокно, а второй посылался к концу установки без помех. Второй луч служил в роли репера, для сравнения.

С первым же лучом происходила удивительная вещь. Ещё до того, как пик его импульса входил в эрбиевое волокно, на дальнем конце этого волокна уже появлялся пик излучения, опережая даже реперный луч, бегущий свободно. Если говорить о групповой скорости, получалось, что первый луч превышал скорость света, и даже «опережал время» — так как выходил из конца волокна до того, как попадал в его начало.

Выяснилось, что само волокно, фактически, генерирует горб на дальнем своём срезе, когда первые порции фотонов из ведущего фронта лазерного импульса, предшествующего пику, достигают его.

Но самое любопытное заключалось в другом открытии — одновременно с посылкой горба импульса вперёд, дальний конец волокна создавал второй горб-близнец, который распространялся в обратном направлении, добегая до начала опытного волокна как раз к моменту, когда исходный оригинальный импульс только лишь входил в него.