Einführung in die Chemie
Lernziel
- Erklären Sie, wie Konzentration, Oberfläche, Druck, Temperatur und die Zugabe von Katalysatoren die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen
Wichtige Punkte
- Wenn die Konzentrationen der Reaktanten erhöht werden, verläuft die Reaktion schneller. Dies ist auf eine Zunahme der Anzahl von Molekülen zurückzuführen, die die minimal erforderliche Energie haben. Bei Gasen hat ein zunehmender Druck den gleichen Effekt wie eine zunehmende Konzentration.
- Wenn Feststoffe und Flüssigkeiten reagieren, erhöht die Vergrößerung der Oberfläche des Feststoffs die Reaktionsgeschwindigkeit. Eine Abnahme der Partikelgröße bewirkt eine Zunahme der Gesamtoberfläche des Feststoffs.
- Eine Erhöhung der Reaktionstemperatur um 10 °C kann die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppeln oder verdreifachen. Dies ist auf eine Zunahme der Anzahl von Partikeln zurückzuführen, die die minimale erforderliche Energie aufweisen. Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt mit abnehmender Temperatur ab.
- Katalysatoren können die Aktivierungsenergie senken und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, ohne bei der Reaktion verbraucht zu werden.
- Unterschiede in den Eigenstrukturen der Reaktanten können zu Unterschieden in den Reaktionsgeschwindigkeiten führen. Moleküle, die durch stärkere Bindungen verbunden sind, haben aufgrund der erhöhten Energiemenge, die zum Aufbrechen der stärkeren Bindungen erforderlich ist, niedrigere Reaktionsraten als Moleküle, die durch schwächere Bindungen verbunden sind.
Begriffe
- Katalysatoreine Substanz, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei verbraucht zu werden.
- Aktivierungsenergiedie minimale Energiemenge, die Moleküle haben müssen, damit bei einer Kollision eine Reaktion stattfindet.
Reaktantenkonzentrationen
Durch die Erhöhung der Reaktantenkonzentrationen wird die Reaktion schneller. Damit eine chemische Reaktion abläuft, muss eine bestimmte Anzahl von Molekülen vorhanden sein, deren Energien gleich oder größer als die Aktivierungsenergie sind. Mit zunehmender Konzentration steigt die Anzahl der Moleküle mit der minimal erforderlichen Energie und daher die Reaktionsgeschwindigkeit. Wenn beispielsweise eines von einer Million Partikeln über ausreichende Aktivierungsenergie verfügt, reagieren von 100 Millionen Partikeln nur 100. Wenn Sie jedoch 200 Millionen dieser Partikel innerhalb desselben Volumens haben, reagieren 200 von ihnen. Durch die Verdoppelung der Konzentration hat sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt.
Oberfläche
Bei einer Reaktion zwischen einem Feststoff und einer Flüssigkeit beeinflusst die Oberfläche des Feststoffs letztendlich, wie schnell die Reaktion abläuft. Dies liegt daran, dass die Flüssigkeit und der Feststoff nur an der Flüssig-Feststoff-Grenzfläche, die sich auf der Oberfläche des Feststoffs befindet, ineinander stoßen können. Die im Körper des Feststoffs eingeschlossenen festen Moleküle können nicht reagieren. Daher werden durch Erhöhen der Oberfläche des Feststoffs mehr feste Moleküle der Flüssigkeit ausgesetzt, was eine schnellere Reaktion ermöglicht.
Betrachten Sie zum Beispiel einen 6 x 6 x 2 Zoll großen Ziegelstein. Die Fläche der freiliegenden Oberflächen des Ziegels beträgt 4(6\mal 2)+2(6\mal 6)=120\;cm^2. Wenn der Ziegel jedoch in neun kleinere Würfel zerlegt wird, hat jeder Würfel eine Oberfläche von 6 (2 \ mal 2) = 24 \ cm ^ 2, so dass die Gesamtoberfläche der neun Würfel 9 \ mal 24 = 216 \ cm ^ 2 beträgt.
Dies zeigt, dass die gesamte freiliegende Oberfläche zunimmt, wenn ein größerer Körper in kleinere Teile geteilt wird. Da also eine Reaktion auf der Oberfläche einer Substanz stattfindet, sollte die Vergrößerung der Oberfläche die Menge der Substanz erhöhen, die zur Reaktion zur Verfügung steht, und somit auch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.
Druck
Wenn Sie den Druck für eine Reaktion mit Gasen erhöhen, wird die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht. Wenn Sie den Druck eines Gases erhöhen, verringern Sie sein Volumen (PV = nRT; P und V sind umgekehrt verwandt), während die Anzahl der Partikel (n) unverändert bleibt. Daher erhöht zunehmender Druck die Konzentration des Gases (n / V) und sorgt dafür, dass die Gasmoleküle häufiger kollidieren. Beachten Sie, dass diese Logik nur für Gase funktioniert, die stark komprimierbar sind; das Ändern des Drucks für eine Reaktion, an der nur Feststoffe oder Flüssigkeiten beteiligt sind, hat keinen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit.
Temperatur
Es wurde experimentell beobachtet, dass ein Temperaturanstieg von 10 ° C normalerweise die Geschwindigkeit einer Reaktion zwischen Molekülen verdoppelt oder verdreifacht. Die minimale Energie, die für den Ablauf einer Reaktion benötigt wird, die so genannte Aktivierungsenergie, bleibt mit steigender Temperatur gleich. Der durchschnittliche Anstieg der teilchenkinetischen Energie, der durch die absorbierte Wärme verursacht wird, bedeutet jedoch, dass ein größerer Anteil der Reaktionsmoleküle jetzt die minimale Energie hat, die zum Kollidieren und Reagieren erforderlich ist. Ein Temperaturanstieg führt zu einem Anstieg der Energieniveaus der an der Reaktion beteiligten Moleküle, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit zunimmt. In ähnlicher Weise nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit mit abnehmender Temperatur ab.
Anwesenheit oder Abwesenheit eines Katalysators
Katalysatoren sind Substanzen, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, indem sie die für die Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie senken. Ein Katalysator wird während einer Reaktion nicht zerstört oder verändert, so dass er wieder verwendet werden kann. Zum Beispiel verbinden sich H2 und O2 unter normalen Bedingungen nicht. Sie verbinden sich jedoch in Gegenwart einer kleinen Menge Platin, das als Katalysator wirkt, und die Reaktion verläuft dann schnell.
Natur der Reaktanten
Substanzen unterscheiden sich deutlich in der Geschwindigkeit, mit der sie chemische Veränderungen erfahren. Die Unterschiede in der Reaktivität zwischen den Reaktionen können auf die unterschiedlichen Strukturen der beteiligten Materialien zurückzuführen sein; zum Beispiel, ob die Substanzen in Lösung oder im festen Zustand sind. Ein weiterer Faktor hat mit den relativen Bindungsstärken innerhalb der Moleküle der Reaktanten zu tun. Beispielsweise findet eine Reaktion zwischen Molekülen mit Atomen, die durch starke kovalente Bindungen gebunden sind, langsamer statt als eine Reaktion zwischen Molekülen mit Atomen, die durch schwache kovalente Bindungen gebunden sind. Dies liegt an der Tatsache, dass es mehr Energie benötigt, um die Bindungen der stark gebundenen Moleküle zu brechen.