by 
Με αφορμή το θέμα Β2 των Πανελλαδικών εξετάσεων Χημείας του 2025 θα θέλαμε να αναδείξουμε ορισμένα θέματα που αφορούν τα διαγράμματα συγκέντρωσης ή ποσότητας / χρόνου και τον χρόνο ολοκλήρωσης μιας αντίδρασης.
Τα ερωτήματα που τίθενται είναι:
- Τι εννοούμε όταν λέμε ότι η αντίδραση ολοκληρώνεται σε «τόσο» χρόνο αφού οι ολοκληρωμένες εξισώσεις ταχύτητας λένε ότι θεωρητικά η αντίδραση ολοκληρώνεται σε άπειρο χρόνο;
- Όταν δείχνουμε το τέλος μιας αντίδρασης σε ένα διάγραμμα συγκέντρωσης / χρόνου θεωρούμε ως τέλος κάποιο συγκεκριμένο ποσοστό μετατροπής της συγκέντρωσης του περιοριστικού αντιδρώντος (π.χ. 99 %) ή την χρονική στιγμή που η συγκέντρωση του περιοριστικού αντιδρώντος απέχει μια ορισμένη τιμή από το μηδέν;
- Η γνώση της τάξης της αντίδρασης έχει ρόλο στην ερμηνεία των διαγραμμάτων συγκέντρωσης ή ποσότητας / χρόνου και στην εξαγωγή συμπερασμάτων;
Η σύγκριση των αρχικών κλίσεων των καμπυλών ποσότητας / χρόνου αποκαλύπτει σε ποια περίπτωση η αντίδραση έχει μεγαλύτερη αρχική ταχύτητα, όταν πέρα από τη συγκέντρωση μεταβάλλεται και ο όγκος του συστήματος (δοχείου για αέρια, διαλύματος για υγρά);
Ηλία και Δημήτρη σε περίπου ίδια συμπεράσματα καταλήξαμε και εμείς ( Αγγελ. Εμμ., Πέτρος Καρ.)
έπειτα από μεταξύ μας συνομιλία.
Εμείς θεωρήσαμε τέλος αντίδρασης όταν έχει καταναλωθεί το 99% του HCl και είμαστε
σε συμφωνία! , ότι σε αυτήν την περίπτωση και εφόσον η αντίδραση είναι 1ης τάξης , τότε ο χρόνος ολοκλήρωσης
ΔΕΝ ΕΞΑΡΤΑΤΑΙ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΡΧΙΚΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ.
Τώρα όσαν αφορά τα διαγράμματα σας μήπως ο τίτλος του Α2:
<<A2.Θεωρώντας ότι η αντίδραση ολοκληρώνεται όταν η [HCl] μειωθεί σε 0,01 M >>
θέλει διόρθωση? το λέω επειδή:
είτε γράψουμε: Α1.Θεωρώντας ότι η αντίδραση ολοκληρώνεται όταν η [HCl] έχει μειωθεί κατά 99 %
είτε γράψουμε: Α2.Θεωρώντας ότι η αντίδραση ολοκληρώνεται όταν η [HCl] μειωθεί σε 0,01 M
είναι το ίδιο πράγμα μιας και στις δύο περιπτώσεις η [ΗCl]τελ= 0,01Μ
Με τα παραπάνω που γράφω όσον αφορά το χρόνο ολοκλήρωσης
σε αντίδραση 1ης τάξης είναι σύμφωνος και ο Αντώνης Μπαλτζ. σε επικοινωνία που είχαμε
και μάλιστα που έδωσε τον τύπο ολοκλήρωσης για μια αντίδρασης 1ης τάξης
και ο οποίος είναι: t=2ln2/k (k:σταθερά ταχύτητας)
θεωρώντας ως χρόνο ολοκλήρωσης της αντίδρασης όταν έχει αντιδράσει το 99/100 του αντιδρώντος.
Έγγραψα λάθος το τύπο
σωστός τύπος : t= 2ln10/k
Αγαπητοί συνάδελφοι. Πολύ ωραία η “πειραματική” επεξεργασία και η παρουσίαση, ωστόσο υπάρχει μια βασική ένσταση. Ας πάρουμε το ΗCl 1Μ και 2Μ. Για την ολοκλήρωση της αντίδρασης με 1Μ (ή για το 90% ή το 99%) θα απαιτηθεί κάποιος χρόνος (έστω t1). Το διάλυμα 2Μ για να ελαττωθεί σε 1Μ θα χρειαστεί έστω χρόνο t2. Και φυσικά για να φθάσει από 1Μ σε ολοκλήρωση θα χρειαστεί πάλι χρόνο t1, όπως και το πρώτο διάλυμα, καθώς δεν έχει αλλάξει κάτι για να αλλάξει ο χρόνος. Για να έχουμε ίδιους χρόνους και στα δύο πειράματα, πρέπει να δεχθούμε ότι t2 = 0. Νομίζω άτοπο.
Επειδή βασιστήκατε στις γραφικές παραστάσεις και τις τιμές μάλλον κάποιου αρχείου Excel θα πρότεινα αντί για 1Μ και 2Μ να βάλετε 1Μ και 10Μ ή 20Μ. Νομίζω ότι το πρόβλημα έγκειται στον τρόπο που υπολογίζει το Excel την εκθετική συνάρτηση (με το είδος των αριθμών που χρησιμοποιεί στο παρασκήνιο) και με την ίδια τη φύση της συνάρτησης η οποία αρχικά παρουσιάζει τεράστιες μεταβολές ενώ στη συνέχεια πολύ μικρές. (Σε μια δικιά μου προσπάθεια στο Excel, το διάλυμα 1Μ “ολοκληρώθηκε” σε 98 μονάδες χρόνου, και το διάλυμα 10Μ σε 120 μονάδες, συμβατό αποτέλεσμα με την παραπάνω σκέψη).
Αγαπητέ Δημήτρη Τσιλογιάννη, το γεγονός ότι ξεκινώντας με μεγαλύτερη C(HCl) η αντίδραση ολοκληρώνεται αργότερα κατά τόσες μονάδες χρόνου όσες είναι αυτές που απαιτούνται ώστε η [HCl] να φθάσει την αρχική τιμή του διαλύματος μικρότερης C, ισχύει αν θεωρήσει κανείς ότι η αντίδραση ολοκληρώνεται τη χρονική στιγμή που η [HCl] φθάνει σε μια συγκεκριμένη τιμή, όπως έχουν ήδη πει αρκετοί συνάδελφοι και όπως φαίνεται και από τις γραφικές παραστάσεις που ανεβάσαμε. Όμως αν θεωρήσει κανείς ότι η αντίδραση ολοκληρώνεται όταν έχει καταναλωθεί ένα ορισμένο ποσοστό της αρχικής C(HCl), τότε προκύπτουν διαφορετικά αποτελέσματα, ανάλογα και με την τάξη της αντίδρασης, όπως αναλύουμε στη δημοσίευσή μας και αυτό δεν έχει να κάνει αν η μεγαλύτερη C είναι 2 M ή 10 Μ ή κάποιο άλλο νούμερο.
Για κινητική 1ης τάξης για παράδειγμα ισχύει ότι [HCl]/[HCl]αρχ = e-kt και άρα ο λόγος [HCl]/[HCl]αρχ φθάνει στο 0,01, δηλαδή 99 % κατανάλωση της C(HCl), την ίδια χρονική στιγμή είτε C(HCl) = 1 M, είτε C(HCl) = 2 M, είτε C(HCl) = 10 M.
Τα νούμερα που χρησιμοποιήσαμε (συγκεντρώσεις, τάξη αντίδρασης, σταθερά k, θεώρηση χρόνου ολοκλήρωσης) φαίνονται στη δημοσίευσή μας και μπορεί ο καθένας να επαληθεύσει τις γραφικές παραστάσεις. Αν εσείς έχετε βρει κάποια συγκεκριμένη περίπτωση όπου, θεωρώντας ως χρόνο ολοκλήρωσης της αντίδρασης ορισμένο ποσοστό κατανάλωσης της αρχικής C(HCl), ξεκινώντας με μεγαλύτερη C(HCl) η αντίδραση ολοκληρώνεται αργότερα, θα σας παρακαλούσαμε να μας δώσετε την τάξη της αντίδρασης, το ποσοστό ολοκλήρωσης που θεωρήσατε, την σταθερά k και τις αρχικές C, ώστε να το επαληθεύσουμε.
Αγαπητέ Ηλία (ελπίζω να είναι επιτρεπτός ο ενικός). Δεν αμφισβητώ καθόλου την πολύ ωραία παρουσίαση (γι’ αυτό και τη χαρακτήρισα έτσι). Ωστόσο, επειδή αφορμή γι’ αυτή τη δουλειά αποτέλεσε το θέμα των εξετάσεων (άρα ο στόχος μας είναι οι μαθητές), νομίζω ότι πρέπει να είναι σαφές ότι όταν λέμε ολοκλήρωση της αντίδρασης εννοούμε μια συγκεκριμένη τιμή (για μονόδρομη όπως αυτή, μηδενισμός της [HCl]) ή λόγω της κινητικής της, μια ιδιαίτερα μικρή τιμή (κάτι εν πολλοίς άγνωστο στους μαθητές). Δεν νομίζω ότι κάπου διδάσκουμε ότι ως ολοκλήρωση εννοούμε την προσέγγιση κάποιου συγκεκριμένου ποσοστού μετατροπής. Επομένως δεν μπορούμε να θεωρήσουμε το αντίστοιχο θέμα από αυτή τη σκοπιά (εκτός αν η ανάγκη της παρουσίασης δεν είναι για το σχολείο).
Επίσης αυτό που προσπαθώ να καταλάβω είναι ποια η αξία της προσέγγισης με ποσοστό μετατροπής, ιδιαίτερα στην περίπτωση της κινητικής 1ης τάξης όπου από τη σχέση προκύπτει άμεσα ότι το λόγος των συγκεντρώσεων εξαρτάται από τον χρόνο ή αντίστροφα ο χρόνος εξαρτάται μόνο από το λόγο των συγκεντρώσεων (και όχι τις ακριβείς τιμές της συγκέντρωσης – k βέβαια σταθεό). Δεν χρειάζονται πειραματικές μετρήσεις γι’ αυτό. Ποιο ακριβώς είναι το συμπέρασμα; Ότι κάθε χρονική στιγμή το ποσοστό μετατροπής είναι ίδιο. Και λοιπόν; Δεν μπορώ να δω κάτι άλλο γιατί μου μοιάζει με ταυτολογία.
Τέλος θα επαναλάβω για το θέμα των εξετάσεων ότι η πλειοψηφία των προσεγγίσεων θεωρεί ως δεδομένη την περίσσεια του ανθρακικού, κάτι που δεν προκύπτει από την εκφώνηση του θέματος, και έτσι οι χρόνοι ολοκλήρωσης μπορούν να έχουν οποιαδήποτε μορφή και η αντίδραση να είναι οποιασδήποτε τάξης. (Είναι η μοναδική μου ένσταση για το συμπέρασμα που καταλήγετε στο τέλος της παρουσίασής σας και αφορά στο θέμα των εξετάσεων. Αναφέρετε ότι το διάγραμμα είναι σωστό μόνο με κινητική 2ης τάξης και ποσοστό μετατροπής, θεωρώντας ότι είναι σε περίσσεια το ανθρακικό.)
Αυτό που θα ήθελα να σημειώσω όμως από την παρουσίασή σας, και που νομίζω ότι έχει ιδιαίτερη αξία (κοιτώντας τα συμπεράσματα που “πειραματικά” καταλήγετε) είναι ότι μάλλον πρόκειται για αυθαιρεσία η απαίτηση να κάνουμε κινητική μελέτη (να συγκρίνουμε ταχύτητες, συγκεντρώσεις) από τη γραφική παράσταση του όγκου αερίου που προκύπτει σε μια αντίδραση. (Μάλλον τελικά αυτό μπορεί να θεωρηθεί ως αστοχία του θέματος των εξετάσεων).