题目
溶液中仅有的反应为 (M) + (L) leftharpoons (ML)、(ML) + (L) leftharpoons (ML)_2,平衡常数分别为 K_1、K_2。欲使溶液中 [(ML)] 达到最大值,则 [(L)] 与 K_1、K_2 的关系式应为( )A. [(L)] = K_1 (K_2)^(1)/(2)B. [(L)] = (K_1 K_2)^(1)/(2)C. [(L)] = (K_1 K_2)^-(1)/(2)D. [(L)] = K_1 (K_2)^-(1)/(2)
溶液中仅有的反应为 $\text{M} + \text{L} \rightleftharpoons \text{ML}$、$\text{ML} + \text{L} \rightleftharpoons \text{ML}_2$,平衡常数分别为 $K_1$、$K_2$。欲使溶液中 $[\text{ML}]$ 达到最大值,则 $[\text{L}]$ 与 $K_1$、$K_2$ 的关系式应为( )
A. $[\text{L}] = K_1 (K_2)^{\frac{1}{2}}$
B. $[\text{L}] = (K_1 K_2)^{\frac{1}{2}}$
C. $[\text{L}] = (K_1 K_2)^{-\frac{1}{2}}$
D. $[\text{L}] = K_1 (K_2)^{-\frac{1}{2}}$
题目解答
答案
C. $[\text{L}] = (K_1 K_2)^{-\frac{1}{2}}$
解析
本题考查化学平衡常数的应用以及利用数学方法求最值,解题的关键在于根据化学平衡常数表达式得出$[ML]$关于$[L]$的表达式,再通过求导的方法找到$[ML]$取得最大值时$[L]$与$K_1$、$K_2$的关系。
- 根据平衡常数表达式表示$[ML]$:
- 对于反应$\text{M} + \text{L} \rightleftharpoons \text{ML}$,其平衡常数$K_1=\frac{[\text{ML}]}{[\text{M}][\text{L}]}$,则$[\text{M}]=\frac{[\text{ML}]}{K_1[\text{L}]}$。
- 对于反应$\text{ML} + \text{L} \rightleftharpoons \text{ML}_2$,其平衡常数$K_2=\frac{[\text{ML}_2]}{[\text{ML}][\text{L}]}$,则$[\text{ML}_2]=K_2[\text{ML}][\text{L}]$。
- 设$M$的初始浓度为$c_0$,根据物料守恒可得$c_0 = [\text{M}] + [\text{ML}] + [\text{ML}_2]$,将$[\text{M}]$和$[\text{ML}_2]$的表达式代入可得:
$c_0=\frac{[\text{ML}]}{K_1[\text{L}]} + [\text{ML}] + K_2[\text{ML}][\text{L}]$。 - 对上式进行整理求解$[\text{ML}]$:
$\begin{align*}c_0&=[\text{ML}](\frac{1}{K_1[\text{L}]} + 1 + K_2[\text{L}])\\[\text{ML}]&=\frac{c_0}{\frac{1}{K_1[\text{L}]} + 1 + K_2[\text{L}]}\end{align*}$
- 求$[ML]$的最大值:
为了找到$[ML]$的最大值,对$[\text{ML}]$关于$[L]$求导,并令导数为$0$。
设$y = \frac{1}{K_1[\text{L}]} + 1 + K_2[\text{L}]$,则$[\text{ML}]=\frac{c_0}{y}$。
根据除法求导公式$(\frac{u}{v})^\prime=\frac{u^\prime v - uv^\prime}{v^2}$,这里$u = c_0$(常数,$u^\prime = 0$),$v = y$,可得$([\text{ML}])^\prime=-\frac{c_0y^\prime}{y^2}$。
对$y$求导:$y^\prime=-\frac{1}{K_1[\text{L}]^2}+K_2$。
令$([\text{ML}])^\prime = 0$,即$-\frac{c_0y^\prime}{y^2}=0$,因为$c_0\neq0$,$y^2\neq0$,所以$y^\prime = 0$,也就是$-\frac{1}{K_1[\text{L}]^2}+K_2 = 0$。 - 求解$[L]$:
由$-\frac{1}{K_1[\text{L}]^2}+K_2 = 0$,移项可得$\frac{1}{K_1[\text{L}]^2}=K_2$,进一步变形为$[\text{L}]^2=\frac{1}{K_1K_2}$。
因为浓度不能为负,所以$[\text{L}] = (K_1 K_2)^{-\frac{1}{2}}$。