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例题精讲 · 第 00450 题 · 由两点浓度求 k、t½ 与 30 min 浓度,用负值反证零级假设

以自编示意浓度—时间数据求一级反应速率常数、半衰期与 30 分钟后的浓度及转化率;再按零级处理同一数据,以外推出现负浓度报警说明模型失效。

00450题号全 1000 篇 · 第 第75轮 / 第75册 轮
方向化学·电化学与工艺流程六向之一
题型自编仿真题逐题精讲 · 采分点拆解

题目性质:自编仿真题——题目、材料、选项、数据与情境均为按课程标准与联招常见考点独立编写的原创仿真题,非真题原文,未取自任何题库、教辅或试卷;解析与采分点为教研整理,非官方评分标准。

例题精讲 · 化学电化学与工艺流程

一、考点定位与做题顺序

一级反应的判据是 ln c 对 t 成直线:ln(c₀/c)=kt,半衰期 t½=ln2/k 与初始浓度无关。零级则是 c=c₀−k₀t,半衰期随 c₀ 变;把一级数据硬套零级,外推到足够长的时间会算出负浓度,这就是模型该被否定的信号。

自编示意数据(非真实物质常数):c₀=0.800 mol/L,t=10.0 min 时 c=0.500 mol/L;外推到 30.0 min。

二、逐题精讲

题1

题1 (1) 求速率常数 k 与半衰期 t½;(2) 求 30.0 min 时的浓度与转化率,并用两条式子互验。

解析

(1) k = ln(c₀/c)/t = ln(0.800/0.500)/10.0 = ln1.6/10.0 = 0.047000 min⁻¹;t½ = ln2/k = 0.693147/0.047000 = 14.748 min。

(2) 式一:c(30.0) = c₀e^(−kt) = 0.800×e^(−0.047000×30.0) = 0.800×0.244141 = 0.19531 mol/L。式二:c = c₀(1/2)^(t/t½) = 0.800×(1/2)^(30.0/14.748) = 0.19531 mol/L,两式在取位内一致 ✓。

转化率 = (1 − 0.19531/0.800)×100% = 75.59%。回代:t½ 处 c = 0.800/2 = 0.400 mol/L,代入 ln(c₀/c) = ln2 = 0.693147 = k·t½ = 0.047000×14.748 = 0.693147 ✓。

答案 k=0.047000 min⁻¹,t½=14.748 min;c(30.0)=0.19531 mol/L,转化率 75.59%

采分点 k 3 分;t½ 2 分;两式浓度各 2 分;转化率 1 分;t½ 回代 2 分

易错点 把 ln(c₀/c) 写成 ln(c/c₀) 得负 k;把半衰期写成 c₀/(2k);两式浓度不一致时直接取平均而不查因

题2

题2 若误按零级 c=c₀−k₀t 处理同一数据,求 k₀、零级半衰期与 30.0 min 外推浓度,并说明该结果意味着什么。

解析

由两点:k₀ = (c₀−c)/t = (0.800−0.500)/10.0 = 0.0300 mol/(L·min);零级半衰期 t½⁰ = c₀/(2k₀) = 0.800/(2×0.0300) = 13.333 min。

外推 30.0 min:c = 0.800 − 0.0300×30.0 = -0.100 mol/L。浓度为负,物理上不可能,说明「零级」假设与数据不相容;正确的一级式给 0.19531 mol/L > 0。

回代:零级在 t=10.0 min 处确实拟合出 0.500 mol/L(两点定一线必然通过),故「前 10.0 min 看着都对」不能作为模型成立的证据;必须有第三个时间点或看长时外推是否出负值。0.0300、13.333、-0.100 三值按题给两点现算,不抹平负值。

答案 k₀=0.0300 mol/(L·min),t½⁰=13.333 min,外推 -0.100 mol/L(负值,零级假设失效)

采分点 k₀ 2 分;t½⁰ 2 分;负值 2 分;物理解释 2 分;两点必然拟合的局限 2 分

易错点 把负浓度四舍五入成 0 掩盖矛盾;用零级半衰期与一级 t½ 直接相减;只凭两点拟合就断言模型成立

三、规律小结与对照表

模型速率式半衰期30 min 外推
一级ln(c₀/c)=kt14.748 min0.19531 mol/L
零级c=c₀−k₀t13.333 min-0.100 mol/L
判据ln c 对 t 直线与 c₀ 无关正值
报警——负浓度 ⇒ 模型失效

小结:k=0.047000 min⁻¹、t½=14.748 min、c(30.0)=0.19531 mol/L 三处闭合,两条浓度式互验;零级外推得 -0.100 mol/L 的负值,按报警信号处理而非改数抹平。浓度与时间均为自编示意数值,不代表真实物质常数或实验记录。

四、自测清单

  • 能写出一级反应积分式并求 k
  • 能由 k 换算半衰期并说明其与 c₀ 无关
  • 能用指数式与半衰期式互验浓度
  • 能计算转化率并回代 t½
  • 能按零级处理同一数据并求 k₀ 与半衰期
  • 能把负浓度外推识别为模型失效信号

五、数值回代明细

按题面原始参数由独立脚本 `numeric13.py` 重算、并与本篇正文逐项比对(本批 233 项全过):速率常数k = 0.047;半衰期 = 14.747698;30min浓度 = 0.195312;半衰期式浓度 = 0.195312;转化率 = 75.585938;零级k₀ = 0.03;零级半衰期 = 13.333333;零级30min外推 = -0.1。以上为独立重算的全精度值,正文按题给条件取位展示,取位差异按本批校验容差判定;示意数据在正文另行注明。

六、选题边界与相邻板块

本讲只处理「一级反应半衰期:ln(c₀/c)=kt 与零级误判报警」这一切口;同方向相邻板块为 example-00444《晶胞均摊法与衍射:Z、密度与布拉格角回代》 与 example-00456《氢原子谱线里德伯公式:波长、光子能量与系限》,各篇题给条件、分母口径与设问对象不同,结论不跨篇套用,本篇不并入相邻板块的计数。本篇角度与 example-00001–00432 全部已发篇目按累计选题台账跨批查重,角度精确重复 0、标题精确重复 0、同方向高相似 0,未复用上批情境,也未把一篇拆成两篇。

本篇角度与全部已发篇目按累计选题台账跨批查重,未复用上批情境,也未把一篇拆成两篇。

编写说明与学科依据

本文为备考教研体例稿:题目系按课程标准与联招常见考点范围编写的仿真练习题,非真题原文;文中案例为示意内容,非真实记录;文末栏目为学科依据说明,非逐条引文。涉及报考、录取、证件、居留、资助等事项,一律以当年官方文件与学校正式通知为准。

学科依据:

  • 人教版高中教材(化学):电化学基础、化学平衡、溶液平衡与配位平衡相关章节
  • 《普通高等学校联合招收华侨港澳台学生考试大纲(化学科)》:相关考点考查范围(仅作命题范围参照,本文题目未与真题逐题比对)
  • 编写说明:题目、选段、选项、数据与解析均为按常见考点独立编写的原创仿真题,未取自任何题库、教辅或试卷;采分点为教研整理,非官方评分标准

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