Johdatus kemiaan
Oppimistavoite
- selittävät, miten konsentraatio, pinta-ala, paine, lämpötila ja katalyyttien lisääminen vaikuttavat reaktionopeuteen
avainkohdat
- kun reaktanttien pitoisuudet nousevat, reaktio etenee nopeammin. Tämä johtuu niiden molekyylien määrän lisääntymisestä, joilla on tarvittava vähimmäisenergia. Kaasuille paineen lisäämisellä on sama vaikutus kuin pitoisuuden lisäämisellä.
- kiinteiden ja nesteiden reagoidessa kiinteän aineen pinta-alan kasvattaminen nostaa reaktionopeutta. Hiukkaskoon pieneneminen aiheuttaa kiinteän aineen kokonaispinta-alan kasvun.
- reaktiolämpötilan nostaminen 10 °C: lla voi kaksin-tai kolminkertaistaa reaktionopeuden. Tämä johtuu niiden hiukkasten määrän lisääntymisestä, joilla on tarvittava vähimmäisenergia. Reaktionopeus pienenee lämpötilan laskiessa.
- katalyytit voivat alentaa aktivaatioenergiaa ja lisätä reaktionopeutta ilman, että ne kuluvat reaktiossa.
- erot reaganttien luontaisissa rakenteissa voivat johtaa eroihin reaktionopeuksissa. Vahvempien sidosten yhdistämillä molekyyleillä on matalampi reaktionopeus kuin heikompien sidosten yhdistämillä molekyyleillä, koska vahvempien sidosten murtamiseen tarvitaan enemmän energiaa.
termit
- katalysta aine, joka lisää kemiallisen reaktion nopeutta ilman, että sitä kulutetaan prosessissa.
- aktivointienergian vähimmäismäärä, joka molekyyleillä on oltava, jotta reaktio tapahtuu törmäyksessä.
Reaktanttipitoisuudet
reaktanttien pitoisuuksien nostaminen saa reaktion tapahtumaan nopeammin. Jotta kemiallinen reaktio tapahtuisi, on oltava tietty määrä molekyylejä, joiden energiat ovat yhtä suuret tai suuremmat kuin aktivointienergia. Konsentraation kasvaessa niiden molekyylien määrä, joilla on tarvittava vähimmäisenergia, kasvaa ja siten reaktion nopeus kasvaa. Jos esimerkiksi yhdellä miljoonasta hiukkasesta on riittävästi aktivointienergiaa, 100 miljoonasta hiukkasesta vain 100 reagoi. Jos kuitenkin 200 miljoonaa hiukkasta on samassa tilavuudessa, 200 niistä reagoi. Kun pitoisuus kaksinkertaistuu, myös reaktionopeus on kaksinkertaistunut.
pinta-ala
kiinteän ja nesteen välisessä reaktiossa kiinteän aineen pinta-ala vaikuttaa lopulta siihen, kuinka nopeasti reaktio tapahtuu. Tämä johtuu siitä, että neste ja kiinteä aine voivat törmätä toisiinsa vain nesteen ja kiinteän aineen rajapinnassa, joka on kiinteän aineen pinnalla. Kiinteän aineen kehoon jääneet kiinteät molekyylit eivät pysty reagoimaan. Näin ollen kiinteän aineen pinta-alan kasvattaminen altistaa nesteelle enemmän kiinteitä molekyylejä, mikä mahdollistaa nopeamman reaktion.
ajatellaan esimerkiksi 6 x 6 x 2 tuuman tiiltä. Tiilen paljaiden pintojen pinta-ala on 4(6\kertaa 2)+2(6\kertaa 6)=120\;cm^2. Kun tiili puretaan yhdeksään pienempään kuutioon, jokaisen kuution pinta-ala on kuitenkin 6(2 \kertaa 2) = 24\ cm^2, joten yhdeksän kuution kokonaispinta-ala on 9 \kertaa 24 = 216\ cm^2.
Tämä osoittaa, että kokonaisaltistunut pinta-ala kasvaa, kun suurempi kappale jaetaan pienempiin osiin. Koska reaktio tapahtuu aineen pinnalla, pinta-alan kasvattamisen pitäisi siis lisätä reaktioon käytettävissä olevan aineen määrää ja siten myös lisätä reaktion nopeutta.
paine
paineen lisääminen kaasuja sisältävässä reaktiossa lisää reaktionopeutta. Kun kaasun painetta lisätään, sen tilavuus pienenee (PV=nRT; P ja V ovat kääntäen suhteessa toisiinsa), kun taas hiukkasten määrä (n) pysyy muuttumattomana. Siksi kasvava paine lisää kaasun pitoisuutta (n / V) ja varmistaa, että kaasumolekyylit törmäävät useammin. Muista, että tämä logiikka toimii vain kaasuille, jotka ovat erittäin puristettavissa; paineen muuttaminen reaktiossa, jossa on mukana vain kiinteitä aineita tai nesteitä, ei vaikuta reaktionopeuteen.
lämpötila
kokeellisesti on havaittu, että 10 °C: n lämpötilan nousu yleensä kaksin-tai kolminkertaistaa molekyylien välisen reaktion nopeuden. Reaktion etenemiseen tarvittava vähimmäisenergia eli aktivointienergia pysyy samana lämpötilan noustessa. Absorboituneen lämmön aiheuttama hiukkasten liike-energian keskimääräinen kasvu tarkoittaa kuitenkin sitä, että suuremmalla osalla reaktanttimolekyyleistä on nyt pienin törmäykseen ja reaktioon tarvittava energia. Lämpötilan nousu aiheuttaa reaktioon osallistuvien molekyylien energiatasojen nousun, joten reaktion nopeus kasvaa. Vastaavasti reaktionopeus pienenee lämpötilan laskiessa.
katalyytin läsnäolo tai puuttuminen
katalyytit ovat aineita, jotka lisäävät reaktionopeutta alentamalla reaktion tapahtumiseen tarvittavaa aktivaatioenergiaa. Katalyytti ei tuhoudu tai muutu reaktion aikana, joten sitä voidaan käyttää uudelleen. Esimerkiksi tavallisissa olosuhteissa H2 ja O2 eivät yhdisty. Ne kuitenkin yhdistyvät pienen määrän katalyyttinä toimivaa platinaa läsnä ollessa, minkä jälkeen reaktio tapahtuu nopeasti.
reagoivien aineiden luonne
aineet eroavat toisistaan huomattavasti siinä, miten nopeasti ne muuttuvat kemiallisesti. Reaktioiden välisten reaktiivisuuserojen voidaan katsoa johtuvan aineiden erilaisista rakenteista; esimerkiksi siitä, ovatko aineet liuoksessa vai kiinteässä olomuodossa. Toinen tekijä liittyy reaganttien molekyylien suhteellisiin sidosvahvuuksiin. Esimerkiksi molekyylien välinen reaktio, jossa atomeja on sitoutunut vahvoilla kovalenttisilla sidoksilla, tapahtuu hitaammin kuin molekyylien välinen reaktio, jossa atomeja on sitoutunut heikoilla kovalenttisilla sidoksilla. Tämä johtuu siitä, että voimakkaasti sitoutuneiden molekyylien sidosten katkaiseminen vaatii enemmän energiaa.