introduktion till kemi
inlärningsmål
- förklara hur koncentration, ytarea, tryck, temperatur och tillsats av katalysatorer påverkar reaktionshastigheten
viktiga punkter
- när koncentrationerna av reaktanterna höjs fortsätter reaktionen snabbare. Detta beror på en ökning av antalet molekyler som har den minsta nödvändiga energin. För gaser har ökande tryck samma effekt som ökande koncentration.
- när fasta ämnen och vätskor reagerar, ökar ytan på det fasta ämnet reaktionshastigheten. En minskning av partikelstorleken orsakar en ökning av det fasta ämnets totala ytarea.
- att höja reaktionstemperaturen med 10 C kan dubbla eller tredubbla reaktionshastigheten. Detta beror på en ökning av antalet partiklar som har den minsta energi som krävs. Reaktionshastigheten minskar med en temperaturminskning.
- katalysatorer kan sänka aktiveringsenergin och öka reaktionshastigheten utan att förbrukas i reaktionen.
- skillnader i reaktanternas inneboende strukturer kan leda till skillnader i reaktionshastigheter. Molekyler förenade med starkare bindningar kommer att ha lägre reaktionshastigheter än molekyler förenade med svagare bindningar på grund av den ökade mängden energi som krävs för att bryta de starkare bindningarna.
termer
- catalystA ämne som ökar hastigheten för en kemisk reaktion utan att konsumeras i processen.
- aktiveringsenergiden minsta mängd energi som molekyler måste ha för att en reaktion ska inträffa vid kollision.
Reaktantkoncentrationer
att höja koncentrationerna av reaktanter gör att reaktionen sker snabbare. För att en kemisk reaktion ska inträffa måste det finnas ett visst antal molekyler med energier som är lika med eller större än aktiveringsenergin. Med en ökning av koncentrationen kommer antalet molekyler med den Minsta erforderliga energin att öka, och därför kommer reaktionshastigheten att öka. Till exempel, om en av en miljon partiklar har tillräcklig aktiveringsenergi, då av 100 miljoner partiklar, kommer endast 100 att reagera. Men om du har 200 miljoner av dessa partiklar inom samma volym, reagerar 200 av dem. Genom att fördubbla koncentrationen har reaktionshastigheten också fördubblats.
ytarea
i en reaktion mellan ett fast ämne och en vätska kommer ytan på det fasta ämnet i slutändan att påverka hur snabbt reaktionen sker. Detta beror på att vätskan och det fasta ämnet endast kan stöta på varandra vid det flytande fasta gränssnittet, som ligger på ytan av det fasta ämnet. De fasta molekylerna som fångas i kroppen av det fasta kan inte reagera. Därför kommer en ökning av ytan på det fasta ämnet att utsätta mer fasta molekyler för vätskan, vilket möjliggör en snabbare reaktion.
tänk till exempel på en 6 x 6 x 2 tum tegelsten. Området för de exponerade ytorna på tegelstenen är 4(6\gånger 2)+2 (6\gånger 6)=120\;cm^2. När tegelstenen demonteras i nio mindre kuber har dock varje kub en yta på 6 (2\ gånger 2) = 24 \cm^2, så den totala ytan på de nio kuberna är 9\ gånger 24 = 216 \ cm^2.
detta visar att den totala exponerade ytan kommer att öka när en större kropp delas upp i mindre bitar. Därför, eftersom en reaktion äger rum på ytan av ett ämne, bör en ökning av ytan öka mängden av ämnet som är tillgängligt för att reagera och därmed öka reaktionshastigheten också.
Tryck
att öka trycket för en reaktion som involverar gaser ökar reaktionshastigheten. När du ökar trycket på en gas minskar du dess volym (PV=nRT; P och V är omvänt relaterade), medan antalet partiklar (n) förblir oförändrat. Därför ökar ökande tryck koncentrationen av gasen (n/V) och säkerställer att gasmolekylerna kolliderar oftare. Tänk på att denna logik bara fungerar för gaser, som är mycket komprimerbara; att ändra trycket för en reaktion som endast involverar fasta ämnen eller vätskor har ingen effekt på reaktionshastigheten.
temperatur
det har observerats experimentellt att en ökning av 10 C-temperaturen vanligtvis fördubblar eller tredubblar hastigheten för en reaktion mellan molekyler. Den minsta energi som behövs för att en reaktion ska fortsätta, känd som aktiveringsenergin, förblir densamma med ökande temperatur. Den genomsnittliga ökningen av partikelkinetisk energi orsakad av den absorberade värmen innebär emellertid att en större andel av reaktantmolekylerna nu har den minsta energi som krävs för att kollidera och reagera. En ökning av temperaturen orsakar en ökning av energinivåerna hos molekylerna som är involverade i reaktionen, så reaktionshastigheten ökar. På liknande sätt kommer reaktionshastigheten att minska med en minskning av temperaturen.
närvaro eller frånvaro av en katalysator
katalysatorer är ämnen som ökar reaktionshastigheten genom att sänka aktiveringsenergin som behövs för att reaktionen ska inträffa. En katalysator förstörs inte eller ändras under en reaktion, så den kan användas igen. Till exempel, vid vanliga förhållanden, kombinerar inte H2 och O2. De kombinerar emellertid i närvaro av en liten mängd platina, som fungerar som en katalysator, och reaktionen sker sedan snabbt.
Reaktanternas Natur
ämnen skiljer sig markant i de hastigheter med vilka de genomgår kemisk förändring. Skillnaderna i reaktivitet mellan reaktionerna kan hänföras till de olika strukturerna hos de berörda materialen; till exempel om ämnena är i lösning eller i fast tillstånd. En annan faktor har att göra med de relativa bindningsstyrkorna inom reaktanternas molekyler. Till exempel kommer en reaktion mellan molekyler med atomer som är bundna av starka kovalenta bindningar att ske i en långsammare takt än en reaktion mellan molekyler med atomer som är bundna av svaga kovalenta bindningar. Detta beror på det faktum att det tar mer energi att bryta bindningarna hos de starkt bundna molekylerna.