Inleiding: reactiesnelheid
Beste leerlingen,
In dit onderdeel gaan we dieper in op de snelheid waarmee chemische reacties optreden. We verklaren hoe een reactie tot stand komt aan de hand van het botsingsmodel en verklaren hiermee hoe factoren zoals verdelingsgraad, concentratie, temperatuur en katalysator de reactiesnelheid beïnvloeden. Tot slot proberen jullie zelf een verklaring te zoeken voor de snelheid van eenvoudige reacties.
Veel succes!
leerplandoelen
Wat moet je kennen en kunnen na het instuderen van dit hoofdstuk?
- Je kan een chemische reactie beschrijven als een gevolg van effectieve botsingen tussen reagensdeeltjes.
- Je kan een omschrijving geven voor de reactiesnelheid.
- Je kan de invloed van enkele factoren op de reactiesnelheid verduidelijken.
De snelheid van een reactie
De snelheid van een reactie is gelijk aan het aantal mol stof dat per liter en per seconde wordt omgezet of gevormd.
De reactiesnelheid hangt af van meerdere factoren: de aard, de concentratie en de verdelingsgraad van de reagerende deeltjes, de temperatuur en de aanwezigheid van een katalysator.
De invloed van deze factoren is te verklaren met het 'botsingsmodel': een reactie vindt alleen plaats als moleculen met elkaar botsen en de botsing effectief is.
Invloed van de concentratie op het aantal botsingen
Bron: McMurry & Fay, Chemistry
Botsingsmodel
Bij een chemische reactie worden reagentia omgevormd tot reactieproducten. Bij een chemische reactie gaat een botsing van twee of meer moleculen van de verschillende reagentia vooraf. Bij deze botsing worden bestaande bindingen gebroken en nieuwe bindingen gevormd.
Lang niet alle botsingen tussen moleculen hebben echter een reactie tot gevolg. Dit is slechts bij een gedeelte
van het totale aantal botsingen het geval. Wanneer een reactie plaatsvind spreken we van effectieve botsingen.
Welke factoren zijn van belang voor een effectieve botsing?
Men spreekt van een effectieve botsing wanneer
- de snelheid of kinetische energie van de botsende deeltjes groot genoeg is
EN
- de deeltjes op de juiste plaats met elkaar in contact komen.
Bij een effectieve botsing vindt er een chemische reactie plaats. Er ontstaat een overgangsstructuur of geactiveerd complex waarbij bestaande bindingen (reagentia) gebroken worden en nieuwe bindingen (reactieproducten) gevormd worden.
uitleg botsingsmodel
In deze video krijg je meer uitleg over het botsingsmodel.
Reactiesnelheid
gemiddelde reactiesnelheid
De reactiesnelheid is het aantal effectieve botsingen per tijdseenheid.
Als we een eenvoudige reactie beschouwen: A+B -> C+D
De oderstaande figuur stelt de verandering in concentratie voor naarmate de reactie doorgaat. Deze curves zijn opgemaakt voor zowel de reagentia (A en B) als voor eindproducten (C en D).
Men kan zien dat in het begin van de reactie de concentratie van de reagentia sneller afnemen dan op het einde van de reactie. Er worden meer reactieproducten gevormd dan op het einde van de reactie. De reactie gaat bij hogere beginconcentratie van de reagentia sneller door. Naarmate de concentratie van de reagentia afneemt, daalt de snelheid van de reactie.
Je kan dus concluderen dat de reactiesnelheid over een bepaald interval evenredig is met de concentratie. In een wiskundige formule wordt dit als volgt genoteerd:
Formule: gemiddelde reactiesnelheid
rate = gemiddelde reactiesnelheid gedurende het tijdsinterval \(\Delta t\), mol/ (L.s)
\(\Delta [x]\)= concentratieverandering van stof X, mol/L
\(\Delta t\) = tijdsinterval, nodig voor de concentratieverandering, s.
De reactiesnelheid bepalen we door concentratieveranderingen te meten als functie van de tijd.
Indien sprake is van een toename in de concentratie, dus als stof C of D wordt gevormd, heeft de reactiesnelheid een positieve waarde. Als de concentratie afneemt, dus als stof A of B wegreageert, heeft de reactiesnelheid een negatieve waarde.
Voorbeeld
Voor de reactiesnelheid kunnen we elke concentratieverandering met de tijd kiezen. Uit de reactievergelijking volgt dat 2 mol NO is ontstaan en 2 mol NO2 is verdwenen voor elke mol gevormd O2. Daarom is de vormingssnelheid van O2 de helft van de vormingssnelheid van NO en de helft van de ontledingssnelheid van NO2:
Voorbeeldoefening
We kunnen de reactiesnelheid meten door de concentratie van één of meer reagentia of reactieproducten te meten in functie van de tijd. Bij de reactie:
Door de reactie neemt de [NO2] af. Daardoor neemt de botsingskans tussen moleculen NO2 af en loopt de reactie dus langzamer.
De hoeveelheid omgezet NO2 binnen elk volgend tijdsinterval is minder, dus de daling van de concentratie van NO2 is ook minder.
Concentratieverloop als functie van de tijd
Bron: McMurry & Fay,Chemistry
We kunnen voor dit voorbeeld de gemiddelde reactiesnelheid berekenen met onderstaande gegevens:
Stel dat in de eerste 20 seconden de concentratie van NO2 afneemt met 0,10 mol/L, dan is de gemiddelde reactiesnelheid gedurende dit tijdsinterval:
s = Δ[NO2] = -0,10 mol/l = 0,00025 mol/(l.s) = 2,5 . 10-3 mol/(l.s)
2 . Δt 2 . 20 s
We spreken van een gemiddelde reactiesnelheid. De snelheid is immers niet constant gedurende het tijdsinterval: s neemt af in de tijd. Dit kan je ook afleiden uit bovenstaande curve.
zelf oefenen
oefeningen : gemiddelde reactiesnelheid 1
oefeningen : gemiddelde reactiesnelheid 2
Invloed factoren
De reactiesnelheid van chemische reacties kan sterk variëren. Sommige reacties verlopen zeer traag, anderen veel te snel.
Voorbeeld
- Trage reacties: compostering van afval, rijpen van wijn, industriële processen, …
- Snelle reacties: explosies, corrosie van metalen, bederf van voedsel, …
Het is dus interessant om te weten op welke manier de snelheid van reacties beïnvloedt kan worden.
Concentratie
Verklaring via het botsingsmodel: Hoe groter het aantal deeltjes in een reactiemengsel, hoe groter de kans op effectieve botsingen en dus hoe groter de reactiesnelheid.
Invloed van de concentratie op het aantal botsingen
Bron: McMurry & Fay, Chemistry
Invloed van de concentratie op de reactiesnelheid
Verdelingsgraad
Onder verdelingsgraad verstaan we de mate waarin een stof is verdeeld in kleine korrels (vaste stoffen) of druppels (vloeistoffen).
Hoe groter de verdelingsgraad, hoe groter het contactoppervlak tussen twee stoffen. Hierdoor neemt het aantal botsingen, dat per seconde aan het oppervlak kan plaatsvinden, toe en dus ook de reactiesnelheid.
Invloed van de verdelingsgraad op de reactiesnelheid
Van een vaste stof kunnen we het oppervlak enorm vergroten door de stof tot poeder te vermalen.
Het contactoppervlak, het grensvlak, tussen twee niet-mengbare vloeistoffen kan worden vergroot door de vloeistoffen te emulgeren.
Het contactoppervlak van een vloeistof met een gas kan sterk worden vergroot door de vloeistof te verstuiven tot een nevel.
Hoe belangrijk de verdelingsgraad kan zijn blijkt uit verschijnselen als stofexplosies en zelfontbranding van metaalpoeders. Zeer fijn verdeeld brandbaar materiaal, melkpoeder, plastic poeder of meel, kan na ontsteking zo snel branden, dat er een explosie ontstaat:
Ipadgebruikers klikken
hier om de video te starten.
Zeer fijn verdeelde metalen kunnen aan de lucht zo snel oxideren, dat de warmte die daarbij vrijkomt de metalen tot gloeihitte brengt.
Bekend is bijvoorbeeld het aluminiumpoeder dat in aluminiumverf ('zilververf') wordt gebruikt. Zonder voorzorgsmaatregelen zou het poeder spontaan kunnen ontbranden. Ook zeer fijn verdeeld ijzer kan spontaan ontbranden (daarom heet dit poeder ook wel pyrofoor ijzer).
Temperatuur
Bij temperatuurverhoging gaan de deeltjes sneller bewegen. Dit vergroot het aantal botsingen per seconde.
Een botsing tussen sneller bewegende deeltjes heeft ook een krachtiger verloop: de deeltjes hebben meer kinetische energie bij de botsing. Dit betekent, dat het percentage effectieve botsingen toeneemt.
Animatie van de invloed van temperatuur op de reactiesnelheid.
Ipadgebruikers klikken hier om te video te starten.
De temperatuur heeft dus een dubbel effect op de reactiesnelheid. Een vuistregel is dat voor elke 10°C temperatuurstijging de reactiesnelheid twee à drie maal zo groot wordt.
Invloed van de temperatuur op de reactiesnelheid.
Katalysator
Een katalysator is een stof die een reactie versnelt, zonder daarbij te worden verbruikt.
Een katalysator neemt wel deel aan de reactie, maar wordt voortdurend teruggevormd. In de biochemie spelen biochemische katalysatoren, enzymen genaamd, een essentiële rol.
De werking van een katalysator berust op het verschijnsel dat een bepaalde reactie mét katalysator via een ander reactiepad verloopt. Bij dit andere reactiepad behoort een andere overgangstoestand met een lagere activeringsenergie.
Bij gelijkblijvende temperatuur zijn er meer deeltjes die voldoende energie hebben om over de lagere energieberg heen te komen en dus loopt de reactie sneller.
invloed van een katalysator op de reactiesnelheid
Energiediagram voor een reactie zonder en met gebruik van een katalysator
Bron: https://nl.wikipedia.org/wiki/Michaelis-Mentenvergelijking
Een fraai voorbeeld van een katalytische reactie is de verbranding van glucose in het menselijk lichaam. Glucose, C6H12O6, is de universele brandstof in planten en dieren. Bij 37 °C reageert glucose niet met zuurstof uit de lucht. Na aansteken met een vlam verbrandt het onder vuurverschijnselen.
C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O
In het menselijk lichaam wordt glucose ook met zuurstof omgezet in koolstofdioxide en water, maar bij een temperatuur van 37 °C. Dit kan alleen dankzij enzymen. De hoeveelheid warmte die vrijkomt bij de langzame
verbranding in het lichaam is precies even groot als de hoeveelheid warmte die vrijkomt bij verbranding van dezelfde hoeveelheid glucose bij hoge temperatuur met vuurverschijnselen.
Samenvatting
De reactiesnelheid is het aantal effectieve botsingen per tijdséénheid. De gemiddelde reactiesnelheid is gelijk aan de concentratieverandering van het reagens of het reactieproduct per tijdséénheid.
We kunnen de snelheid van een reactie beïnvloeden met behulp van volgende factoren:
- de temperatuur,
- de concentratie
- de verdelingsgraad van de reagerende stoffen
- de aanwezigheid van een katalysator.
Opdrachten
zelftest
taak (op papier)
Print onderstaand document en vul de vragen aan. Neem een foto of scan van deze ingevulde taak en laad deze op in de uploadzone in SS.
Veel succes!
taak: reactiesnelheid
