Степенные зависимости и масштабирование — Физическая химия для олимпиад

Степенные зависимости и масштабирование

10 заданий

Степени и корни

linkОпора

  • Урок 6. Функции и чтение графиков — оси, единицы, область определения, монотонность, пересечения и предельные значения. Отличать значение функции от изменения функции

functionСвойства степеней

\[x^a\cdot x^b = x^{a+b}, \qquad \frac{x^a}{x^b} = x^{a-b}, \qquad (x^a)^b = x^{ab}, \qquad (xy)^a = x^ay^a,\] \[x^{-n} = \frac{1}{x^n}, \qquad x^{1/n} = \sqrt[n]{x}, \qquad x^{0} = 1\ (x \ne 0).\]

functionsПочему \(x^{1/2} = \sqrt x\) и \(x^0 = 1\)

Свойства степеней с натуральным показателем следуют из счёта множителей (урок 1). Дробные, нулевой и отрицательные показатели определяют так, чтобы эти свойства сохранились. Из \((x^{1/2})^2 = x^{1/2\cdot2} = x\) следует, что \(x^{1/2}\) — число, квадрат которого равен \(x\), то есть \(\sqrt x\). Из \(x^a/x^a = x^0\) и \(x^a/x^a = 1\) следует \(x^0 = 1\), а из \(x^0/x^n = x^{-n}\) — \(x^{-n} = 1/x^n\).

Дробный показатель — это корень: \(c^{1/2} = \sqrt c\), \(c^{5/2} = c^2\sqrt c\). Такие показатели встречаются в кинетике (порядок 1/2 или 3/2 у цепных реакций) и в теории газов (\(u \propto T^{1/2}\)).

Степенные функции y = xn: все проходят через точку (1; 1); при x > 1 большая степень растёт быстрее, при x < 1 — быстрее убывает
Степенные функции \(y = x^n\): все проходят через точку (1; 1); при \(x > 1\) большая степень растёт быстрее, при \(x < 1\) — быстрее убывает

errorСтепень суммы

\((a + b)^2 \ne a^2 + b^2\), а \(\sqrt{a + b} \ne \sqrt a + \sqrt b\). Степень распределяется по множителям, но не по слагаемым.

Отношения и масштабирование

Во многих задачах важно не само значение, а то, во сколько раз оно изменится. Для степенной зависимости \(y = kx^n\)

\[\frac{y_2}{y_1} = \frac{kx_2^n}{kx_1^n} = \left(\frac{x_2}{x_1}\right)^n,\]

и неизвестная константа \(k\) сокращается. Это основа быстрых оценок и проверок.

ЗависимостьАргумент увеличили в 2 разав 4 раза
\(y \propto x\)\(\times 2\)\(\times 4\)
\(y \propto x^2\) (площадь круга по радиусу)\(\times 4\)\(\times 16\)
\(y \propto x^3\) (объём шара)\(\times 8\)\(\times 64\)
\(y \propto \sqrt x\) (скорость молекул от \(T\))\(\times 1{,}41\)\(\times 2\)
\(y \propto 1/x\) (объём газа от давления)\(\times 0{,}5\)\(\times 0{,}25\)

lightbulbБезразмерные отношения

Отношения \(T_2/T_1\), \(c_2/c_1\), \(r/r_0\) безразмерны — их удобно сравнивать между задачами. Если температуру подставить в градусах Цельсия, отношение получится неверным: \(T_2/T_1\) имеет смысл только в кельвинах.

edit_noteСкорость молекул при нагревании

Газ нагрели от 27 до 327 °C. Во сколько раз выросла средняя скорость молекул? \(u \propto \sqrt T\), поэтому \(\dfrac{u_2}{u_1} = \sqrt{\dfrac{600\ \text{К}}{300\ \text{К}}} = \sqrt2 = 1{,}41\). Если по ошибке взять градусы Цельсия, получится \(\sqrt{327/27} = 3{,}5\) — в два с половиной раза больше правды.

infoЗакон квадрата — куба

Галилей в «Беседах о двух новых науках» (1638) заметил: если все размеры тела увеличить в \(k\) раз, площадь вырастет в \(k^2\), а объём и масса — в \(k^3\) раз. Поэтому кости великана не выдержали бы собственного веса, а мелкие частицы имеют огромную поверхность на грамм вещества — к этому мы вернёмся в уроке 117.

Порядок реакции по начальным скоростям

Скорость реакции часто подчиняется степенному закону \(v = k\,c^{n}\), где \(n\) — порядок по реагенту.

functionsПорядок по двум опытам

Проведём два опыта с разными начальными концентрациями \(c_1\) и \(c_2\). В отношении скоростей константа \(k\) сократится:

\[\frac{v_2}{v_1} = \left(\frac{c_2}{c_1}\right)^n.\]

Логарифмируем обе части (урок 8): \(\lg\dfrac{v_2}{v_1} = n\lg\dfrac{c_2}{c_1}\), откуда

\[n = \frac{\lg(v_2/v_1)}{\lg(c_2/c_1)}.\]

Удвоили концентрацию, а скорость выросла в 4 раза — \(n = 2\); в 2 раза — \(n = 1\); не изменилась — \(n = 0\). Нецелый результат тоже возможен: если при утроении концентрации скорость выросла в 1,73 раза, \(n = \lg1{,}73/\lg3 = 0{,}50\).

Если реагентов несколько, \(v = k[\text{A}]^a[\text{B}]^b\), то в паре опытов меняют только одну концентрацию — иначе вклады не разделить.

errorПорядок — из опыта, а не из уравнения

Порядок реакции — характеристика экспериментального закона скорости. Для \(\ce{2NO + O2 -> 2NO2}\) он случайно совпадает с коэффициентами, а для \(\ce{H2 + Br2 -> 2HBr}\) закон скорости сложный и вовсе не степенной. Коэффициенты суммарного уравнения порядок не определяют.

push_pinГлавное

Для \(y = kx^n\) отношение \(y_2/y_1 = (x_2/x_1)^n\) — константа сокращается, а показатель находят логарифмированием отношения: \(n = \lg(y_2/y_1)/\lg(x_2/x_1)\). Дробные, нулевой и отрицательные показатели определены так, чтобы сохранились свойства степеней. Отношения температур берут только в кельвинах.

Закрепите теорию: 10 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.

Физическая химия для олимпиад · репетитор-кузьмин.рф
© 2026. Программа — по приложению C регламента IChO и официальным комплектам ВсОШ и перечневых олимпиад; последовательность уроков и критерии перехода — методика курса.