Hoofdstuk 3 De Reaktiesnelheid

3.1 Inleiding

Elke scheikundige reaktie verloopt met een bepaalde reaktiesnelheid V die je als volgt kan definiëren:
V = de hoeveelheid reagens dat per seconde verdwijnt, of: de hoeveelheid product dat per seconde wordt gemaakt.

Waarom de ene reaktie zo snel verloopt en een andere juist erg langzaam, dat heeft te maken met een aantal factoren die deze snelheid beïnvloeden.


3.2 Reaktiemechanisme / effectieve botsingen

Elke reaktie heeft een reaktiemechanisme: De opeenvolging van verschillende reaktiestappen.

Tijdens de stappen vormen zich tussenprodukten. Als er diverse stappen zijn hangt de totaalsnelheid af van de langzaamste stap.

Opdracht 27
Leg uit waarom de langzaamste stap de totaalsnelheid bepaalt.

Er bestaan chemische reakties waarbij de deeltjes (moleculen bijvoorbeeld) - eenvoudigweg omdat ze voldoende energie bezitten - uit elkaar vallen, ontleden in een ontledingsreaktie. In dat geval hangt de reaktiesnelheid niet af van de aanwezigheid van andere deeltjes.
Er zijn reakties van de eerste orde (unimoleculair) wat wil zeggen: de deeltjes hoeven niet te botsen met andere deeltjes om tot reaktie te komen. Ze kunnen zich spontaan delen in verschillende onderdelen.

Opdracht 28
De ontleding van Ozon wordt een 'unimoleculaire' reaktie genoemd of ook een reaktie 'van de eerste orde'. Leg deze uitspraak uit.

Opdracht 29
Analyseer de volgende grafiek van de ontleding van C14 in een eerste-orde-reaktie (unimoleculair).



Een ander voorbeeld van een unimoleculaire reaktie is de ontleding van N2O4.
Met voldoende energie zal het molecuul zich verdelen in twee delen (NO2). Verder is dit een zeer elementaire reaktie: bstaat uit slechts één stap.

Opdracht 30
Leg uit dat deze ontledingsreaktie het omgekeerde is van de reaktie in de navolgende figuur:


effectieve botsing

De meeste scheikundige reakties zijn niet unimoleculair, maar bimoleculair: twee deeltjes moeten botsen en een effectieve botsing leidt dan tot een reaktie.
Dat zijn geen elementaire reakties, ze hebben een gecompliceerd reaktiemechanisme met diverse stappen. Een bimoleculaire reaktie verloopt niet automatisch bij elke botsing. De botsing moet 'effectief' zijn.

een niet effectieve botsing


Opdracht 31
Twee mogelijke mechanismen van de reaktie, ou verschillende stappen van de reaktie tussen moleculen van stikstofdioxide
In geval I botsen twee moleculen en zo start de reaktie.
In geval II splitst één molecuul en één van de producten botst met een ander molecuul.
Vergelijk de twee mechanismen en zoek de verschillen.

geval I



geval II



Voor de reaktiesnelheid is een formule afgeleid waarin de belangrijkste en invloedrijkste factoren zijn opgenomen. In woorden dus: de snelheid hangt af van de concentratie van de reagentia [ ], van de verdeling / oppervlak van de stof (homogeen of heterogeen), van de temperatuur (oC ou K), en van de eventuele aanwezigheid van een katalysator.

V ≈ [concentratie] x verdeling x energie van de deeltjes x katalysator.


Op deze manier is deze formule tamelijk onbruikbaar. Je kunt hem vereenvoudigen door sommige omstandigheden constant te houden en zo alleen de variabele concentraties te behouden.
We krijgen dan een wiskundige formule:

V = k.[conc.]n

  1. V is de snelheid; k vertegenwoordigt het geheel van constant gehouden overige factoren.;
  2. n is de coëfficiënt van het reagens in de reaktievergelijking;
  3. Op deze wijze verschijnen de concentraties van elke homogene stof in de formule. De heterogene stoffen laat je weg.
  4. Een reaktie waarbij k een hoge waarde heeft, heeft 'sterke reagentia'
  5. Een reaktie waarbij k een lage waarde heeft, heeft 'zwakke reagentia'


Opdracht 32
Kontroleer de overeenkomst tussen de gegevens in de tabel en de gegevens in de grafiek
Als je goed naar de drie grafieken kijkt, wat is dan je commentaar?



Opdracht 33
Waarom is het niet mogelijk om de concentratie van reagentia constant te houden gedurende een reaktie?

Opdracht 34
Geef de formule van de reaktiesnelheid van:
H2(g)+ Br2(g) 2HBr(g)

Belangrijk bij reaktiesnelheden is de reactiviteit van deeltjes. Er zijn deeltjes met een zeer hoge reactiviteit, die men wel "radicalen" noemt. Radicalen vormen zich - algemeen gesproken - onder invloed van licht en hebben als eigenaardigheid dat ze één of meer ongepaarde valentie-electronen bezitten

Radicalen zijn neutraal.
Voorbeelden: Cl·       Br·      —      C—C—O

Opdracht 35
Leg uit waarom Ozon (O3) gemakkelijk radicalen vormt.

Andere aanvallende deeltjes zijn degene met ladingen. Sommige geladen deeltjes vertonen ook een grote reactiviteit, zoals (+, -, δ+ ou δ-).
We onderscheiden hierbij twee mogelijkheden:
  1. een negatief deeltje valt aan op een positief deeltje = nucleofyl mechanisme
  2. een positief deeltje valt aan op een negatief deeltje = electrofyl mechanisme
Een voorbeeld om uit te zoeken is de organische reaktie tussen alkanolen en alkaanzuren in aanwezigheid van de katalysator zwavelzuur
propaanzuur + ethanol ethylpropanaat + water(zwavelzuur = katalysator)


3.3 De reaktie-orde

De reaktie-orde definieert men als de totaalexponent van de concentraties in de formule voor de snelheid V.
Normaal wordt deze exponent afgeleid van de coëfficiënten in de reaktievergelijking.

Opdracht 36
Wat zal de orde van de reaktie zijn?

  1. Cl22 Cl·             V = k*[Cl2]
  2. 2NO2 N2O4           V = k*[NO2]2
  3. CH3I + OH- CH3OH + I-         V = k*[CH3I]*[[OH-]
Het lijkt een reaktie van de tweede orde (bimoleculair), maar metingen van de snelheid tonen aan dat de orde van deze reaktie = 1½.
Hoe leggen we dit uit?

De reaktiestappen (met radicaal-mechanisme):
  1. Br2 2Br· dit evenwicht wordt gemakkelijke en snel bereikt
  2. Br· + H2 HBr + H·       dit is de langzame stap
  3. H· + Br2 HBr + Br·       dit is de snelste stap


Opdracht 37
Geef de eerste stap, de laatste stap en de hoofdstap.

Stap 2, de traagste, is bepalend voor de totaalsnelheid:

Vtotal =


Evenwicht 1 heeft als voorwaarde:

Als we de twee (wiskundige) vergelijkingen kombineren kunnen we berekenen:

 wat betekent dat de reaktie-orde gelijk moet zijn aan 1½ (zie exponent)


3.4 Het beïnvloeden van reakties

Als de reaktiesnelheid afhankelijk is van het aantal effectieve botsingen, is de volgende vraag:
  1. Hoe kun je het aantal botsingen beïnvloeden?
  2. Hoe kun je de effectiviteit van die botsingen beïnvloeden?


Factoren die het aantal botsingen beïnvloeden:

  1. Het aantal aanwezige deeltjes. = de concentratie of (bij gassen) de druk. Hoe meer deeljtes, hoe meer kans op botsing.
    Let op: tijdens een reaktie neemt het aantal reagerende deeljtes automatisch af en dus ook het aantal botsingen en dus wordt de snelheid lager met de tijd.
  2. Het karakter en de situatie van de reagerende deeltjes.
    Hoe bevinden ze zich in de reaktie? Zijn ze fijn verdeeld? Hebben ze groot oppervlak? Veel of weinig energie? Groot of klein? Zijn ze goed gemengd? Enz.
  3. De temperatuur van de reagentia. Heeft meteen invloed op de beweging: hogere temperatuur, meer beweging, dus meer kans op botsing.

OBS. Van concentratie spreken we alleen als de verdeling van de deeltjes homogeen is. In geval van heterogene stoffen spreken we niet van concentratie. In de formules voor V wordt voor deze stoffen eenvoudigweg 1 ingevuld.


Factoren die de effectieviteit van botsingen beïnvloeden

  1. De aanwezigheid van een katalysator. Die maakt dat de botsing tussen de deeltjes niet maar zo willekeurig is, maar begeleid, gericht.
    De deeltjes botsen precies op de juiste plek, bijvoorbeeld, dank zij een katalysator, die zo grote invloed heeft. (zie ook bio-katalyse)
  2. Nog eens de temperatuur. Niet alleen wordt de snelheid groter van de deeltjes, maar ook hun energie. En dat kan een hogere effectiviteit opleveren.

N.B. Elke chemische reaktie heeft een minimumenergie nodig om te starten. Je kunt zo reakties bevriezen.
Zo snel mogelijk de temperatuur verlagen tot onder het minimum; dan valt de snelheid in één keer terug naar 0 mol/sec.

Opdracht 38
Bij de ammoniaksynthese volgens Haber Bosch, zal de katalysator die stap vergemakkelijken die N2-moleculen verdeelt in twee atomen N. Daarna reageert een N-atoom met H2, etc.
  1. Geef minstens twee stappen van deze reaktie en geef ook de orde van elke stap.
  2. Wat zal de langzaamste stap zijn en waarom?



Blussen

Opdracht 39
Welke methoden zijn er om vuur te doven bij brand?

Er zijn nogal wat manieren om een brand te blussen:
  1. afkoelen totdat de temperatuur onder de minimum-reaktietemperatuur komt.
  2. Verwijderen van reagentia
  3. De aanvoer van reagentia onmogelijk maken
  4. Een hulpstof toevoegen die zelf onbrandbaar is

3.5 Diagrammen




(Bio)katalyse

In het diagram zie je de chemische energie op de verticale as en het verloop van de reaktie op de horizontale as: Ozom + zuurstofatomen vormen normaal zuurstof, met behulp van chlooratomen (katalysator).

Zonder chloor moet er een tussenproduct worden gemaakt met zeer veel energie (O3---O), dus waarvan de vorming erg veel energie kost. Het chlooratoom kan een ander soort tussenproducten maken die minder energie kosten.


Temperatuur

In het algemeen mag je zeggen dat temperatuursverhoging versnelling van de reaktie meebrengt. Een vuistregel is

Elke 10 graden verhoging verdubbelt de reaktiesnelheid.


Temperatuurverhoging betekent automatisch: meer beweging van de aanwezige deeltjes; dat betekent méér botsingen tussen de reagerende deeltjes met méér energie

Opdracht 40
Maak twee grafieken in één diagram:
  1. De reaktiesnelheid bij een bepaalde temperatuur (bijv. 25oC) versus de reaktietijd in minuten.
  2. De snelheid van dezelfde reaktie bij een 2x zo hoge temperatuur (50oC).


Concentratie; toevoegen en weghalen van stoffen

Het volgende diagram vertoont de concentraties van de reagentia en produkten van een proces dat bezig evenwicht te bereiken:

Opdracht 41
Op tijdstip 20 (minuten) voegt men 1 mol reagens toe. Hoe gaat de grafiek er nu uitzien?






Tekstvak: Opdracht 41A

De drie diagrammen tonen grafieken: concentratie van het product in mol/l versus verloop van de reaktie in seconden.
Twee grafieken verschillen alleen in temperatuur, op zo'n manier dat de ononderbroken lijn de situatie laat zien bij de laagste temperatuur.
Kies het juiste diagram en leg je antwoord uit.

De reaktiesnelheid hangt altijd af van de concentratie van de homogene stoffen. Het heeft meteen gevolgen als je de concentratie van een reagens verandert. Bij het toevoegen van een van de reagentia zal meteen de snelheid verhogen (voor enige tijd).