Inleiding tot de chemie
leerdoelstelling
- verklaren hoe concentratie, oppervlakte, druk, temperatuur en de toevoeging van katalysatoren de reactiesnelheid
kernpunten
- wanneer de concentraties van de reagentia worden verhoogd, verloopt de reactie sneller. Dit is toe te schrijven aan een verhoging van het aantal molecules die de minimaal vereiste energie hebben. Voor gassen heeft een verhoging van de druk hetzelfde effect als een verhoging van de concentratie.
- wanneer vaste stoffen en vloeistoffen reageren, zal het vergroten van het oppervlak van de vaste stof de reactiesnelheid verhogen. Een afname van de deeltjesgrootte veroorzaakt een toename van de totale oppervlakte van de vaste stof.
- verhoging van de reactietemperatuur met 10 °C kan de reactiesnelheid verdubbelen of verdrievoudigen. Dit komt door een toename van het aantal deeltjes dat de minimale energie nodig heeft. De reactiesnelheid neemt af met een temperatuurdaling.
- katalysatoren kunnen de activeringsenergie verlagen en de reactiesnelheid verhogen zonder verbruikt te worden in de reactie.
- verschillen in de inherente structuren van reagentia kunnen leiden tot verschillen in reactiesnelheden. Molecules verbonden door sterkere banden zullen lagere reactietarieven hebben dan molecules verbonden door zwakkere banden, toe te schrijven aan de verhoogde hoeveelheid energie die wordt vereist om de sterkere banden te breken.
termen
- catalystA-stof die de snelheid van een chemische reactie verhoogt zonder tijdens het proces te worden verbruikt.
- activeringsenergiede minimale hoeveelheid energie die moleculen moeten hebben om een reactie te laten optreden bij een botsing.
Reactantconcentraties
wanneer de concentraties van reactanten worden verhoogd, gebeurt de reactie sneller. Om een chemische reactie te laten plaatsvinden, moet er een bepaald aantal moleculen zijn met energieën gelijk aan of groter dan de activeringsenergie. Met een toename van de concentratie zal het aantal moleculen met de minimaal vereiste energie toenemen, en daarom zal de snelheid van de reactie toenemen. Bijvoorbeeld, als één op een miljoen deeltjes voldoende activeringsenergie heeft, dan zullen er van de 100 miljoen deeltjes slechts 100 reageren. Maar als je 200 miljoen van die deeltjes in hetzelfde volume hebt, dan reageren er 200. Door de concentratie te verdubbelen, is de reactiesnelheid ook verdubbeld.
oppervlakte
bij een reactie tussen een vaste stof en een vloeistof zal het oppervlak van de vaste stof uiteindelijk invloed hebben op hoe snel de reactie plaatsvindt. Dit komt omdat de vloeistof en de vaste stof kunnen botsen alleen op de vloeistof-vaste interface, die op het oppervlak van de vaste stof. De vaste moleculen die gevangen zitten in het lichaam van de vaste stof kunnen niet reageren. Daarom zal het verhogen van het oppervlak van de vaste stof meer vaste moleculen bloot te stellen aan de vloeistof, die een snellere reactie mogelijk maakt.
bijvoorbeeld, overweeg een 6 x 6 x 2 inch baksteen. Het oppervlak van de blootgestelde oppervlakken van de baksteen is 4(6\times 2)+2 (6\times 6)=120\;cm^2. Wanneer de steen in negen kleinere kubussen wordt gedemonteerd, heeft elke kubus echter een oppervlakte van 6 ( 2 \ maal 2) = 24\ cm^2, dus de totale oppervlakte van de negen kubussen is 9 \maal 24 = 216\ cm^2.
Dit toont aan dat de totale blootgestelde oppervlakte zal toenemen wanneer een groter lichaam in kleinere stukken wordt verdeeld. Daarom, aangezien een reactie plaatsvindt op het oppervlak van een stof, het verhogen van het oppervlak moet de hoeveelheid van de stof die beschikbaar is om te reageren verhogen, en zal dus ook de snelheid van de reactie te verhogen.
druk
verhoging van de druk voor een reactie met gassen zal de reactiesnelheid verhogen. Als je de druk van een gas verhoogt, verlaag je het volume (PV=nRT; P en V zijn omgekeerd gerelateerd), terwijl het aantal deeltjes (n) onveranderd blijft. Daarom verhoogt de toenemende druk de concentratie van het gas (n / V), en zorgt ervoor dat de gasmoleculen vaker botsen. Houd in gedachten dat deze logica alleen werkt voor gassen, die zeer samendrukbaar zijn; het veranderen van de druk voor een reactie waarbij alleen vaste stoffen of vloeistoffen betrokken zijn, heeft geen effect op de reactiesnelheid.
temperatuur
experimenteel is waargenomen dat een temperatuurstijging van 10 °C gewoonlijk de snelheid van een reactie tussen moleculen verdubbelt of verdrievoudigt. De minimale energie die nodig is om een reactie voort te zetten, bekend als de activeringsenergie, blijft hetzelfde bij toenemende temperatuur. De gemiddelde toename van de kinetische energie van deeltjes veroorzaakt door de geabsorbeerde warmte betekent echter dat een groter deel van de reactieve moleculen nu de minimale energie hebben die nodig is om te botsen en te reageren. Een stijging van de temperatuur veroorzaakt een stijging van de energieniveaus van de moleculen die betrokken zijn bij de reactie, zodat de snelheid van de reactie toeneemt. Op dezelfde manier zal de reactiesnelheid afnemen met een temperatuurdaling.
aanwezigheid of afwezigheid van een katalysator
katalysatoren zijn stoffen die de reactiesnelheid verhogen door de activeringsenergie te verlagen die nodig is om de reactie te laten optreden. Een katalysator wordt niet vernietigd of veranderd tijdens een reactie, dus het kan opnieuw worden gebruikt. Bijvoorbeeld, in gewone omstandigheden, H2 en O2 niet combineren. Echter, ze combineren in de aanwezigheid van een kleine hoeveelheid platina, die fungeert als een katalysator, en de reactie gebeurt dan snel.
aard van de reagentia
stoffen verschillen aanzienlijk in de mate waarin zij chemische veranderingen ondergaan. De verschillen in reactiviteit tussen reacties kunnen worden toegeschreven aan de verschillende structuren van de betrokken materialen, bijvoorbeeld of de stoffen in oplossing zijn of in de vaste toestand. Een andere factor heeft te maken met de relatieve bindingssterktes binnen de moleculen van de reagentia. Een reactie tussen moleculen met atomen die gebonden zijn door sterke covalente bindingen zal bijvoorbeeld langzamer plaatsvinden dan een reactie tussen moleculen met atomen die gebonden zijn door zwakke covalente bindingen. Dit komt door het feit dat het meer energie kost om de bindingen van de sterk gebonden moleculen te breken.