Reaktionshastighed

Indhold

1.1 Reaktionshastighed

Reaktionshastighed beskriver hvor hurtigt reaktanter omdannes til produkter i en kemisk reaktion. Mere præcist kan reaktionshastigheden defineres som ændringen i koncentrationen af enten reaktanter eller produkter per tidsenhed. Reaktionen mellem saltsyre og natriumthiosulfat observeres det, at opløsningen bliver mere og mere uklar i det svovl udfældes som fast stof, og svæver rund i opløsningen. Over tid vil svovlpartiklerne lægge sig på bunden.

2 HCl (aq) + NaS₂O₃ (aq) → S (s) + SO₂ (aq) + NaCl (aq) + H₂O (l)

Reaktionshastigheden kan aflæses fra en graf, hvor koncentrationen af en reaktant eller et produkt afbildes som funktion af tiden. Reaktionshastigheden kan bestemmes ved at vælge to punkter på kurven (x₁,y₁) og (x₂,y₂). Herefter kan den gennemsnitlige reaktionshastighed beregnes ved følgende formel:

Reaktionshastighed: hældning = y₂ - y₁ / x₂ - x₁

Dette giver en gennemsnitlig hastighed over tidsintervallet mellem de to punkter. Se figur 1. Der er markeret to punkter på natriumthiosulfat (NaS₂O₃) grafen. Grafen falder hvilket betyder at der sker en omdannelse af reaktanten. Der bliver mindre af natriumthiosulfat. Hældningen beregnes og dermed reaktionshastigheden:

Reaktionshastighed: hældning = 0,48 mol/L - 0,42 mol/L / 3 s - 1 s = 0,03 mol/L·s

En mere præcis måde at bestemme reaktionshastigheden på er ved at tegne en tangentlinje til kurven i ét bestemt punkt. Se figur 1. Reaktionshastigheden i dette punkt svarer til tangentens hældning. Hældningen beregnes ved at vælge to punkter på tangentlinjen, og derefter beregne differencen i koncentration divideret med differencen i tid på samme måde som ovenfor. Dette udtrykkes matematisk som:

Reaktionshastighed = Δy / Δx dx

hvor Δy er ændringen i koncentration og Δx er ændringen i tid langs tangentlinjen. I figur 1 er der vist en tangent. Tangent hældning svarer til reaktionshastigheden. Forskellige CAS værktøjer kan bruges til at indsætte en tangent og beregne hældningen.

Figur 1. Grafen viser omdannelse af reaktanter til produkt.

Reaktionshastigheden kan øges eller sænkes ved at påvirke forskellige faktorer som:

• Temperaturen
• Koncentrationen af reaktanter
• Overfladearealet
• Katalysator

1.2. Temperaturens påvirkning på reaktionshastigheden

Temperaturen har en betydelig effekt på reaktionshastigheden. Når temperaturen stiger, øges den gennemsnitlige kinetiske energi hos partiklerne, hvilket medvirker til, at partiklerne bevæger sig hurtigere. En øget hastighed af partikler vil medføre flere sammenstød (kollisioner) mellem reaktanter per tidsenhed og øger samtidig sandsynligheden for at disse kollisioner er effektive. For at en kollision er effektiv kræver det at kollisionen har nok kinetisk energi til at overvinde reaktionens aktiveringsenergi. Kinetisk energi angiver partiklens bevægelsesenergi og en øget bevægelse vil give en øget kinetisk energi. Figur 1 viser en energiprofil for en kemisk reaktion. Aktiveringsenergien angiver den mængde energi der skal til, for at reaktionen kan forløbe fra reaktanter til produkter. Aktiveringsenergien kan opfattes som en bakke, der kræver en vis mængde energi at komme over. Produkterne har en lavere energi end reaktanterne, hvilket indikerer at reaktionen er exoterm. Der frigives energi.

Figur 2. Viser en energiprofil for en kemisk reaktion.

Aktiveringsenergien er den mindste energi, som partiklerne skal have, for at en kemisk reaktion kan omdanne reaktanter til produkter. Jo højere aktiveringsenergi en reaktion har, desto langsommere vil den typisk foregå, fordi færre partikler har høj nok kinetisk energi til at gennemføre reaktionen. Tryk på figur 3 for at undersøge temperaturens effekt på reaktionshastigheden.

Figur 3. Simulationen viser temperaturens effekt på reaktionshastigheden.

Ved at øge temperaturen vil flere partikler øge den kinetiske energi, og dermed vil flere partikler have nok energi til at overvinde aktiveringsenergien. En tommelfingerregel siger, at reaktionshastigheden fordobles, når temperaturen hæves med 10 °C. Denne regel kaldes ofte "10-graders reglen" og kan bruges til at vurdere, hvordan temperaturændringer vil påvirke reaktionshastigheden. Tryk på figur 2 for at undersøge temperaturens effekt på reaktionshastigheden. Begrebet partikel angiver her forskellige kemiske forbindelser som atomer, molekyler og ioner.

Figur 3. Grafen viser energien af en partikel ved to forskellige temperaturer.

1.3. Reaktanternes koncentrationers effekt på reaktionshastigheden

Reaktanternes koncentration har stor betydning for reaktionshastigheden. Ved højere koncentrationer vil antallet af partikler øges, hvilket vil føre til flere kollisioner mellem reaktanterne. Når der sker flere kollisioner vil sandsynligheden øges for at der sker en reaktion. Reaktanternes tilstandsform påvirker også reaktionshastigheden. Molekyler i gasfase eller i opløsning har større bevægelsesfrihed og kan lettere kollidere med hinanden end molekyler i fast fase. Tryk på figur 3 for at undersøge effekt af reaktanternes koncentration på reaktionshastigheden.

Figur 4. Koncentrationen af reaktant B er dobbelt så stor som reaktant A.

1.4. Overfladearealet af reaktanternes påvirkning på reaktionshastigheden

Ved heterogene opløsninger vil overfladearealet af faste reaktanter have indflydelse på reaktionshastigheden. Jo større overfladeareal af en reaktant, jo flere partikler fra opløsningen kan reagere samtidigt. For eksempel reagerer magnesium hurtigere med saltsyre, hvis magnesium er delt i små stykker, sammenlignet med et enkelt stort magnesiumstykke. Dette skyldes, at det samlede overfladeareal bliver større, og en større overfalde vil give flere kollisioner mellem magnesium hydroner fra saltsyren. Dermed øges den samlede reaktionshastighed. Tryk på figur 4 for at undersøge overfladearealets effekt på reaktionshastigheden.

Figur 5. Viser overfladeareal af magnesium i to forskellige størrelser.

1.5. Katalysators påvirkning på reaktionshastigheden

En katalysator er et stof, som øger hastigheden af en kemisk reaktion uden selv at blive opbrugt under reaktionen. En katalysator virker ved at sænke aktiveringsenergien for reaktionen, hvilket øger antallet af partikler, der vil have tilstrækkelig energi til at reagere. Et eksempel er nedbrydningen af hydrogenperoxid (H₂O₂) med manganoxid (MnO₂) som katalysator. Når manganoxid tilsættes hydrogenperoxid, nedbrydes hydrogenperoxid hurtigt til vand (H₂O) og dioxygen (O₂). Uden katalysator sker reaktionen meget langsomt, da aktiveringsenergien er forholdsvis høj. Manganoxid reducerer aktiveringsenergien ved at tilbyde en alternativ reaktionsvej, hvor hydrogenperoxid midlertidigt adsorberes (optages) på manganoxids overflade. Dette gør, at bindingerne i hydrogenperoxid nemmere brydes, og reaktionen vil forløbe hurtigere. En kemisk reaktion sker ved at bindinger i reaktanter brydes mellem atomer og produkter dannes ved nye bindinger mellem nye atomer dannes.

Figur 6. Viser aktiveringsenergien for omdannelse af hydrogenperoxid (H₂O₂) med og uden katalysator.

1.6. Reaktionstypens påvirkning på reaktionshastigheden

For at en kemisk reaktion skal finde sted, er det afgørende, at molekylerne vender korrekt i forhold til hinanden under sammenstødet. Molekylernes placering er vigtig i forståelsen af reaktionsmekanismer og kaldes også "korrekt orientering". Ved substitutions-, additions- og eliminationsreaktioner, skal de reagerende atomer eller molekyler være placeret på en bestemt måde, så bindinger brydes og nye bindinger dannes. Hvis partiklerne ikke har den korrekte orientering, vil sammenstødet ikke resultere i en reaktion, selvom partiklerne har tilstrækkelig energi. For eksempel, i en substitutionsreaktion, hvor en atomgruppe erstattes af en anden, skal partiklerne støde sammen således, at den binding der brydes, peger direkte mod chlorid som derved kan erstatte hydroxygruppen. Denne præcise orientering er afgørende for, at reaktionen kan finde sted. Se figur 4.

Figur 5. Viser substitutionsreaktion mellem methanol og chlorid. Det er vigtig at molekylet vender rigtigt for reaktion.

Opgaver

Opgave 1

Analyser figur 1. Analyser kan oversættes til beskriv og forklar graf.

Opgave 2

Tryk på figur 3. 

Undersøg temperaturen betydning for reaktionshastigheden.

Sæt temperaturen til 2 forskellige temperaturer. Gerne med stor afstand. Lav to grafer

Opgave 3