MCAT的化学平衡和动力学:你需要知道的一切

了解化学均衡和动力学的关键MCAT概念,以及练习问题和答案

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(注意:本指南是我们的一部分称MCAT普通化学系列。)

表的内容

第一部分:化学平衡和动力学的介绍

第二部分:反应平衡

a)平衡常数和反应商

b)Le Chatelier的原则

c)碳酸氢盐缓冲系统

第3部分:价格定律

)反应订单

b)确定实验数据的速率法

c)阿仑尼乌斯方程

第四部分:过渡态理论

a)反应坐标图

b)热力学和动力学产物

第五部分:高收益条款

第6部分:基于短文的问题和答案

第7部分:独立的问题和答案

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第一部分:化学平衡和动力学的介绍

化学反应中的反应物如何迅速变成产品?代替反应物成为产品,反应是否在相反的方向 - 转向反应物中进行?

在本指南中,我们将着重于化学平衡和动力学。平衡和动力学控制着许多生物过程的速度和方向。因此,这里介绍的许多主题都与MCAT的其他主题密切相关。例如,你可能会注意到我们关于过渡态理论的讨论与我们关于酶的生物化学文章是同步的。

在本指南中,有几个重要的术语将突出显示大胆。这些术语也将一起列在指南的末尾。我们还包括了一些aamc风格的练习题,所以你可以测试和应用你的知识。

让我们开始吧!

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第二部分:反应平衡

a)平衡常数和反应商

某些化学反应被称为可逆反应可以向前或向后发展。换句话说,这些反应可以“向前”进行,从反应物中生成产物,也可以“向后”进行,从产物中生成反应物。

可逆化学反应是如何“决定”向生成物或反应物的方向发展的?把化学反应想象成一个跷跷板,一边是反应物,另一边是生成物。当这个跷跷板平衡时,反应就完成了平衡.在这一点上,正反应和逆反应以相同的速率进行。请注意,这并不意味着有没有正向和反向反应的进展,更确切地说,它意味着利率这两个反应平等的

反应达到平衡时反应物和生成物的比例用质量作用定律.的平衡常数,称为K情商,是定义该点位置的表达式。假设反应aA + bB⇋cC + dD,则:

K情商= [C]c[D]d(一)÷一个[B]b

注意,在上面的表达式中,方括号([])表示某种化学物质的浓度。小写字母(a,b,c,d)是化学计量系数。反应平衡位置可能会根据环境条件而改变,例如环境的温度和催化剂的存在。因此,K情商如果温度改变,也会发生变化。

在化学中,大写字母K几乎总是表示一个平衡常数。这包括酸离解常数K一个;碱解离常数Kb;甚至米歇里斯常数K.例如,你可能记得学习过酸解离常数K一个.一个高K一个值表示酸是强的。让我们看一下酸解离的Ka表达式,表示为HA⇋H++一个-

K一个= [H+] [-)÷(公顷)

由于较强的酸更容易解散,因此强酸的解离反应涉及产品。因此,得到的k一个价值更高。

另一个重要的变量是反应商,q.Q的定义实际上和K的定义是一样的情商

Q = [C]c[D]d(一)÷一个[B]b


而K.情商利用平衡时的物质浓度,Q告诉我们反应的当前位置。因此,如果Q等于K情商,然后反应处于平衡状态。但是,如果q小于k情商当反应尚未达到平衡时,反应将继续(向着产物)进行。如果Q大于K情商,则反应已超过平衡,并将向相反的方向进行(向着反应物)。

b)Le Chatelier的原则

勒夏特列原理描述在不同的环境条件下,反应对产物或反应物的有利程度。换句话说,该原理描述了平衡位置的变化。

当暴露在压力下时,一个系统会转移以缓解压力并重新建立平衡。在这里,压力指的是化学物质浓度或环境条件的任何变化,包括温度、压力或体积。

  • 如果反应物的浓度增加或生成物的浓度降低,化学反应就会向右移动。

  • 当温度改变时,反应的方向取决于热是反应物还是产物。在一个吸热反应,加热作为反应物,而在放热反应中,热量用作产物。因此,如果我们有吸热反应并且温度升高,我们的反应将右转。

  • 当温度改变时,产生的位移的方向取决于反应两边气体的摩尔数。增加系统的压力会使反应向气体量更少的一侧进行,而降低压力则会使反应向气体量更大的一侧进行。如果反应物的摩尔数大于生成物的摩尔数,压强的增加会使反应向右移动。这也可以通过理想气体定律(PV = nRT)加以理性化。这个方程告诉我们,随着压强的增加,摩尔数也会增加。因此,系统通过将反应移向摩尔数更少的一侧来缓解这个问题。

    c)碳酸氢盐缓冲系统

前面讨论的概念是你身体中最基本的系统之一的基础碳酸氢盐缓冲系统。碳酸氢盐缓冲体系的作用可以用下列化学方程表示:

有限公司2 (g)+ H2O(l)⇋H.2有限公司3 (aq)⇋H.+ (aq)+ HCO3. - (aq)

碳酸氢盐缓冲系统在调节血液pH值方面起着非常重要的作用。(有关碳酸氢盐缓冲系统的生理影响的更多信息,请参阅我们对呼吸和心血管系统的指南.)

碳酸氢盐缓冲系统是一种高度监管的平衡行为,可以利用Le Chatelier的原理。当氢离子的浓度增加时,pH降低。为了抵消这一点,呼吸率增加,迫使身体排出二氧化碳。这将反应移为左侧,从而降低氢离子浓度并增加pH。

类似地,为了抵消高pH值或低氢离子浓度,呼吸被下调以捕获体内的二氧化碳。这将使反应的平衡位置向右移动,从而增加氢离子浓度,降低pH值。

第3部分:价格定律

)反应订单

量化反应进行的速度通常是有用的。反应进行的速率是用产物的生成速率或反应物的消耗速率来衡量的。的反应速率可以通过测量在已知的一段时间内(例如,以秒为单位)生产的产品的数量(例如,浓度变化)来计算。

假设反应为aA + bB→cC + dD法律法律,以每秒摩尔测量,表示为k [a]x[B]y.在这个表达式中,k是唯一的速率常数并且依赖于温度和催化剂的存在。

可以将指数x和y添加在一起以找到反应顺序。反应顺序描述了与反应消耗速率成比例的产物形成速率。
反应顺序 速率定律 描述
零级
率= k
生成物的生成速率等于速率常数k,并且不受反应物浓度变化的影响。
一阶
率= k(一个)1
率= k [B]1
生成物的生成速率与一种反应物成正比。
二阶
率= k(一个)2
率= k [B]2
率= [][B]
产物形成率与一种反应物浓度的平方成比例,或者只是两种反应物的浓度。

b)确定实验数据的速率法

MCAT可以测试你确定速率定律和反应顺序的能力,给出一组实验数据。这是一个由氯化钠(Na + Cl→NaCl)融合产生的数据的例子。
试验 (Na) (Cl) 初始速度(米/秒)
1
2.00 x 10-2
2.00 x 10-2
2.00 x 10-8
2
4.00 x 10-2
2.00 x 10-2
8.00 x 10-8
3.
4.00 x 10-2
4.00 x 10-2
1.60 x 10-7
根据这个信息,我们如何找到速率定律?
首先,找两个只改变了一种物质浓度的实验。在试验1和试验2中,[Na]从2.00 × 10增加了2倍-2至4.00 x 10-2.[cl]保持不变。速率增加了2.00 x 10的4倍-8至8.00 x 10-8.有了这个信息,我们可以建立以下方程来表示[Na]的浓度变化与速率变化的关系:

Δrate=(δ[na])x
4 = 2x
x = 2


接下来,寻找两个试验,在此期间浓度Cl改变但NA没有。在试验2和3中,[CL]从2.00 x 10增加2倍-2至4.00 x 10-2.比率从8.00 x 10增加了2倍-8到1.60 x 10-7.让我们设置类似于我们为钠设置的表达式。

∆率=(∆(Cl))y
2 = 2y
y = 1


现在我们把我们找到的值代入速率定律公式

率= k(一个)x[B]y
率= k (Na)2(Cl)


要找到速率常数k,只需将任何试验的值代入已经推导出来的速率定律。然后,用代数方法求出准确的值。为了简单起见,我们选择试验1。

率= k (Na)2(Cl)
k =率/ (Na)2(Cl)
K = (2.00 x 10-8m / s)/(2.00 x 10-2米)2(2.00 x 10-2米)
k = 2.50x 10-3年代1-3


最后,把它们放在一起把k值代入速率定律公式。

费率= (2.50 × 10-3年代1-3) (Na)2(Cl)


c)阿仑尼乌斯方程

重要的是要记住,k是实验确定的值,取决于环境条件,包括温度。因此,如果没有提供有关温度或环境条件的实验数据,就不能确定速率常数。

如果反应的活化能已知,那么阿仑尼乌斯方程则可用于确定速率常数的变化:

k = Ae- e一个/ RT.
k是速率常数,A是频率因子常数,E一个为反应的活化能,R为理想气体常数(8.314 J/k˙mol), T为开氏温度。

这个方程也可以写成对数形式:
ln (k) = ln (A) - e一个×RT

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第四部分:过渡态理论

a)反应坐标图

过渡态理论指出分子碰撞导致中间复合物的形成,其能量大于反应物和生成物。在这个理论下,分子和原子被模拟成具有巨大质量和能量的粒子,它们必须在特定的方向下相互接触。

过渡态由部分游离的旧键和部分形成的新键组成。过渡态和反应物之间自由能的差称为活化能.由于过渡态是产物生成所必需的,所以活化能是反应进行所需要的最小能量。把活化能看作是反应需要克服的障碍。它越高,反应就越慢。催化剂,如酶,可以降低活化能,从而提高反应的速率。在一个反应坐标时,过渡态出现在曲线的峰值处。

图:反应坐标图。y轴表示吉布斯自由能的变化(ΔG)。

图:反应坐标图。y轴表示吉布斯自由能的变化(ΔG)。

b)热力学和动力学产物

诸如催化剂的存在和温度等因素可以导致反应通过高能量或低能过渡状态进行。这就导致了热力学产品和动力学产品。热力学产品在高温下更有利,能量更低,更稳定。然而,由于需要更大的活化能,它们的形成发生得更慢。

运动产品另一方面,在较低的温度下,它们的能量更高,也更不稳定。由于所需的活化能较小,它们的形成速度更快。

图:热力学产物为产物A,因为它具有较高的活化能而较低的自由能。动能产物是产物B,因为它有较低的活化能,但较高的自由能。

图:热力学产物为产物A,因为它具有较高的活化能而较低的自由能。动能产物是产物B,因为它有较低的活化能,但较高的自由能。

MCAT可以测试你确定某一产品是动力学产品还是热力学产品的能力。因此,能够确定活化能并比较这些量是很重要的。

许多化学过程和反应发生在一系列中间步骤。具有最高活化能的中间步骤称为病原速率确定步骤,由于整体反应的速度受到最慢的步骤的限制。

关于作者

Vikram肖是Shemmassian学术咨询公司辅导服务的负责人。金宝搏官网他取得了完美的MCAT成绩(528分),并带来了多年的专业辅导经验,帮助我们的学生最大限度地提高他们的考试成绩。

确认:Sahil聊拉

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第五部分:高收益条款

质量作用定律:K情商= [C]c[D]d(一)÷一个[B]b

碳酸氢盐缓冲系统:有限公司2 (g)+ H2O(l)⇋H.2有限公司3. (aq)⇋H.+ (aq)+ HCO3 - (aq)

Le Chatelier的原则:指出,当系统暴露于压力时,均衡位置将转变为缓解该压力

零级反应:生成物的生成速率等于速率常数k

一阶反应:生成物的生成速率与一种反应物成正比

二阶反应:产物形成率与一种反应物浓度的平方或两种反应物的浓度成比例

过渡态理论:指出分子碰撞导致高能中间过渡态复合体的形成

热力学产品:通常是在更高的温度下形成的,因为它们需要更大的活化能;比动能产物更稳定,因为它们的自由能更低

动力产品:通常形成于较低的温度,因为它们需要较少的活化能;比热力学产物更不稳定,因为它们有更高的自由能

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第6部分:基于短文的问题和答案

呼吸系统对日常生活中发现的有害化合物和物质的吸入很脆弱。许多家用清洁产品含有漂白剂(NaClO)或氨作为活性成分。混合这两种化合物可以形成对呼吸有刺激性的氯胺。大量吸入氯胺可能需要立即就医。

NH3.⇋NaOH + NH2Cl
反应1:生成氯胺。

同样,哮喘患者可能会受到日常空气传播的过敏原(如花粉、尘螨和烟草烟雾)的呼吸道刺激。这些过敏原可以触发细支气管收缩并将空气困在肺部。

由于呼吸机制对血液的酸度有很强的影响,碳酸氢盐缓冲系统(反应2)被用来维持血液的生理pH值在7.4左右。在人类中,呼吸速率通常由监测二氧化碳水平的化学感受器调节。

有限公司2 (g)+ H2O(l)⇋H.2有限公司3 (aq)⇋H.+ (aq)+ HCO3 - (aq)
反应2:碳酸氢盐缓冲系统。

由于呼吸机制会影响血液的酸度,这个缓冲系统对于维持血液的生理pH值在7.4左右至关重要。当缓冲系统功能失调时,无法预防血碱血症和血酸血症。

注意:本段中的信息是为赠送MCAT风格的段落的唯一目的而创建的,不应被解释为事实正确。

问题1:哮喘发作患者的细支气管收缩。下列哪一项是可以预期的碳酸氢盐缓冲系统?

a)反应平衡将转向反应物以降低血液的酸度

B)反应平衡会向反应物转移以防止脱水

C,由于二氧化碳浓度的增加,反应平衡将向产物方向转移

D)反应平衡将向产物转移以降低血液的酸度

问题2:以下哪项是对血液pH值下降最有可能的生理反应?

A)呼吸速率的增加

B)呼吸速率的降低

C)心率增加

d)降低心率

问题3:氯胺形成过程中产生的第二种产物最好被描述为:

一)强酸

B)强碱

C)弱酸性

D)弱碱

问题4:根据文章提供的信息,下列哪项会增加氯胺的形成?

A)降低氨的浓度

b)增加氨的浓度

C)降低漂白剂的浓度

d)增加氢氧化钠浓度

问题5:假设反应1是吸热的。下列哪项描述了提高反应环境温度最有可能的效果?

A)正向反应的速率会增加

B)逆反应的速率会增加

C)对反应没有影响

D)氯胺的生成会增加,但氢氧化钠的生成会减少

回答基于短文的问题

  1. 回答选择c是正确的.根据这篇文章,细支气管的收缩将空气困在肺部。因此,二氧化碳的浓度会上升。根据勒夏特列原理,反应平衡将向右移动(选项A和B是错误的)。这将导致更高的产物浓度,其中包括氢离子。因此,酸度会增加,pH值会降低(选择C是正确的)。

  2. 答案A是正确的。pH中的一滴降低表明氢离子的浓度增加。在考虑碳酸氢盐缓冲系统时,驱动反应左右将是由二氧化碳浓度的降低导致的。二氧化碳的血液浓度最直接受呼吸速率影响(选择C和D不正确)。增加呼吸率会增加二氧化碳的排出并将反应变为左侧(选择B不正确)。

  3. 回答选择b是正确的。氯胺生成的第二种产物是氢氧化钠(NaOH)。碱度可以通过氢氧化钠解离形成的高浓度氢氧根离子来表征(选项A和C是错误的)。大多数碱金属氢氧化物是强碱(选择D是不正确的)。

  4. 回答选择b是正确的。这个问题需要考虑勒夏忒列原理。降低反应物的浓度会使反应向相反的方向,或“向左”方向进行(选项a和C是错误的)。增加产物的浓度也会使反应向左移动(选项D是错误的)。

  5. 答案A是正确的。在吸热反应中,热可以看作是反应物。因此,可以应用勒夏忒列原理。如果温度升高,反应将向右移动(选项B和C是错误的)。这种转变将导致所有产品的形成增加(选项D是错误的)。

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第7部分:独立的问题和答案

问题1:鉴于下面的税率法,反应的顺序是多少?

率= k(一个)2

一)零

B)一阶

C)二阶

D)三阶

问题2:以下哪项最能描述零阶反应?

A)生成物的生成速率不受反应物浓度变化的影响

B)产物的生成速率与反应物的浓度成反比

C)产物生成速率与一种反应物成正比

D)产物生成的速率与一种反应物的平方成正比

问题3:过渡态络合物的自由能与反应物和生成物的自由能相比如何?

A)过渡态的自由能高于反应物,但低于产物

B)过渡态的自由能比反应物低但比产物高

C)过渡态的自由能比反应物和产物都低

D)过渡态的自由能高于反应物和产物

问题4:下列哪一种反应条件会促使反应朝正方向进行?

A)反应商低于平衡常数的反应

B)反应商高于平衡常数的反应

c)具有等于其平衡常数的反应值的反应

D,反应商等于零的反应

问题5:催化剂在化学反应中起什么作用?

A)它们增加了形成的产品的浓度

B)它们降低了所形成产品的浓度

C,它们降低了反应的活化能

D,它们增加了反应的活化能

问题6:给定反应发生时,增加压力的预期结果是什么?

N(G)+ O2 (g)⇋恩2O5(g)

A)反应会向右转移

B)反应会向左移动

c)元素氧的浓度会增加

d)增加压力不会影响反应

问题7:下列哪项准确地描述了反应的热力学产物?

i,它们的自由能低于动能产物

2它们的活化能比动能产物低

3它们比动力学产物更稳定

它们倾向于在比动力学产物更高的温度下形成

a)我和二

b)I,III和IV

C) II、III和IV

d)II和III

问题8:化学反应,Mg + O2→MgO2,结果获得以下数据。这个反应的速率定律是什么?
试验 (毫克) [O2 初始速度(米/秒)
1
1.00 x 10.-3
1.00 x 10.-3
2.00 x 10-6
2
2.00 x 10-3
1.00 x 10.-3
4.00 x 10-6
3.
2.00 x 10-3
2.00 x 10-3
8.00 x 10-6

A)速率= 2[Mg]2[O2
B)速率= 2[Mg][O2
c)率= 0.5 [mg]2[O2
D)速率= 0.5[Mg][O22

答案键的独立问题

1.回答选择c是正确的。总的反应级数是通过对速率定律的指数求和得到的。所规定的速率定律只有一个指数2。因此,它是一个二级反应(选项a, B, D是错误的)。

2.答案A是正确的.一个零级反应用速率定律表示:

速率= K.

因此,反应速率与反应物无关。产物形成的一级反应速率与一种反应物成正比(选项C不正确)。产物生成的二级反应速率正比于一种反应物的平方(选项D是错误的)。

3.回答选择d是正确的.根据过渡态理论,分子碰撞导致高能中间复合物的形成。这个复合物比反应物和生成物都有更大的能量(选项A, B, C是错误的)。

4.答案A是正确的。当反应商Q小于平衡常数K时情商时,反应正向进行,有利于产物的生成(选择A是正确的)。当Q大于K时情商,反应向相反的方向移动(选项B是错误的)。当Q等于K情商,反应处于平衡状态(选择C不正确)。反应商必须大于0(选择D不正确)。

5.回答选择c是正确的。催化剂,如酶,降低了反应发生所需的活化能(选项D是错误的)。它们不会增加或减少所形成的产物的浓度。相反,活化能的降低导致反应速率的增加(选项A和B是错误的)。

6。答案A是正确的。当压力增加时,气态反应变为较少摩尔的一侧。在平衡方程之后,反应方程变为:

4 N.(G)+ 5啊2(g)⇋2 N2O5(g)

在右边,有2mol的产物。在左边,有9摩尔反应物。因此,反应将向右移动(选项B、C和D是错误的)。

7。选项B是正确的.反应的热力学产物比动力学产物更稳定,因为它们的自由能更低(选项I和III是正确的)。然而,它们的形成较慢,因为热力学产物往往具有比动力学产物更高的活化能(选择II是错误的)。因此,与动力学产物相比,热力学产物通常在更高的温度下形成,因为更高的温度提供能量以达到高能量的过渡态(选项IV是正确的)。

8。选项B是正确的.[Mg]和速率在试验1和2之间都增加了2倍。因此,反应必须是关于Mg的一级反应(选项A和B是错误的)。[O2在试验2和试验3之间,这个比率都增加了2倍。因此,反应对于O2也是一级反应(选项D是错误的)。最终速率定律由k[Mg][O给出2].要找到k,代入任意一次试验的值。为了简单起见,我们使用试验1。

率= k (Mg) [O2
k =率/ (Mg) [O2
k =(2.00x10-6) / {(1.00 x10-3) (1.00 x10-3)}
k = 2


因此,完全速率律为:

率= 2 (Mg) [O2