Chemische reactiesnelheid

Reactiesnelheid

De snelheid waarmee een chemische reactie verloopt, wordt gedefinieerd als de verandering in de concentratie van het substraat of product in de loop van de tijd. De snelheid van een chemische reactie is een functie die wordt weergegeven in de vorm van een algemeen toepasbare snelheidsvergelijking. Veranderingen in de hoeveelheid componenten in een dergelijke vergelijking worden gewoonlijk uitgedrukt in molaire concentraties. Houd er rekening mee dat elke andere manier om de hoeveelheid uit te drukken kan worden gebruikt, zoals massa, molfractie of atoomfractie (verhouding). De scheikunde maakt ook gebruik van een geavanceerder concept dat de momentane snelheid van een chemische reactie wordt genoemd. Het reactieverloop kan worden gevisualiseerd door de relatie tussen de molaire concentratie (op de y-as) en de reactietijd (op de x-as) uit te zetten. Voor de resulterende curve worden een raaklijn en de helling ervan bepaald, waarvan de laatste overeenkomt met de momentane reactiesnelheid. Een andere waarde die ook de snelheid van een chemische reactie karakteriseert, is de zogenaamde halfwaardetijd . Het is een waarde die het gedrag van radioactieve elementen in de loop van de tijd beschrijft. De halfwaardetijd is de tijd die nodig is voordat de helft van de initiële hoeveelheid substraat reageert, wat betekent dat hoe langer de halfwaardetijd, hoe kleiner de snelheidsconstante k in de snelheidsvergelijking van een chemische reactie. Factoren die de snelheid van een chemische reactie beïnvloeden:

• Substraatconcentratie – het is keer op keer experimenteel bewezen dat de reactiesnelheid beslissend afhankelijk is van de substraatconcentratie. Hoe hoger de concentratie ervan in het systeem, hoe sneller een bepaald proces zal verlopen. Dit kan worden verklaard met behulp van de botsingstheorie. Volgens deze theorie is een voorwaarde voor het plaatsvinden van een bepaalde chemische reactie het plaatsvinden van een succesvolle botsing (dwz botsing met voldoende energie) tussen individuele substraatmoleculen. Dus hoe meer substraatmoleculen er zijn (hoe hoger hun concentratie), hoe groter de kans op een botsing, en dus hoe hoger de reactiesnelheid (dit is een direct proportionele relatie).
• Een katalysator die in het systeem aanwezig is – katalysatoren zijn stoffen die, wanneer ze aan een reactiesysteem worden toegevoegd, de snelheid verhogen waarmee een chemische reactie verloopt. Dit houdt verband met de vermindering van de activeringsenergie, dat wil zeggen de energie die nodig is voor de substraten om de energiebarrière van de reactie te overwinnen en het actieve complex (de overgangstoestand) te vormen voorafgaand aan de vorming van de eigenlijke reactieproducten. De verlaging van de activeringsenergie door de katalysator betekent dat er minder energie nodig is om de chemische reactie op gang te brengen.
• Temperatuur en druk – volgens de regel van Van’t Hoff verhoogt het verhogen van de temperatuur van het reactiesysteem met 10ᵒC de reactiesnelheid met een factor 2 tot 4. Deze relatie maakt het mogelijk de reactiesnelheid te schatten als de temperatuur wordt verhoogd, maar geldt niet voor alle reacties en leidt in uitzonderlijke gevallen zelfs tot een verlaging van de reactiesnelheid of tot ongewenste producten. Bij reacties waarbij alleen gasvormige stoffen betrokken zijn, speelt de druk in het systeem een ​​sleutelrol. Door de toename ervan is de substraatconcentratie hoger, waardoor succesvolle botsingen tussen individuele moleculen efficiënter plaatsvinden en de reactiesnelheid toeneemt.
• Fijnheidsgraad – chemische reacties met vaste substraten vinden plaats op hun oppervlak. Hoe groter het oppervlak van de stof, hoe sneller en efficiënter de reactie waarbij deze betrokken is. Om dit oppervlak zoveel mogelijk te vergroten, worden de substraten dus onderworpen aan pletten of malen. Een voorbeeld is ijzerpoeder, dat snel oxideert in de vlam van een fakkel, een effect dat niet wordt waargenomen bij het verwarmen van een ijzeren staaf.
• Mengen – mengen heeft een soortgelijk effect op de reactiesnelheid als de fijnheidsgraad. Het initiëren van de beweging van moleculen in het systeem leidt tot frequenter contact en de vorming van reactieproducten. Bij oppervlakteprocessen vergemakkelijkt het mengen het loskomen van resulterende moleculen, bijvoorbeeld van het oppervlak van de katalysator, waardoor de toegang tot de actieve centra voor andere substraten wordt vergroot.

Tariefvergelijking

De snelheidsvergelijking kan worden gebruikt om de relaties tussen de snelheid van een chemische reactie en de concentratie van de substraten te beschrijven. Elke chemische transformatie heeft een karakteristieke snelheidsvergelijking. In de eenvoudigste bewoordingen kan deze relatie worden uitgedrukt als het product van de coëfficiënt k (de reactiesnelheidsconstante genoemd, een waarde die constant is voor een bepaalde chemische reactie bij een bepaalde temperatuur) en de concentratie van de substraten. De vorm van de snelheidsvergelijking hangt af van de reactievolgorde:

• Eerste-ordereacties – de snelheid hangt alleen af ​​van de concentratie van het substraat, verheven tot de eerste macht.
• Tweede-orde reacties – in dit geval moeten beide reagerende componenten of de stoichiometrische coëfficiënt voor één substraat (bijvoorbeeld bij ontledingsreacties) in de snelheidsvergelijking worden opgenomen. Bij een dergelijke reactie zal de snelheid afhangen van het product van de substraatconcentraties.

De hierboven gegeven voorbeelden zijn de meest voorkomende, aangezien de meeste chemische reacties van de eerste of tweede orde zijn. Maar we moeten niet vergeten dat reacties van een andere orde, zoals de nulde orde, waarbij de reactiesnelheid niet afhankelijk is van de concentratie van de substraten, ook mogelijk zijn. De snelheidsvergelijking die voor een bepaalde chemische reactie wordt geschreven, hangt in de eerste plaats af van het mechanisme ervan, dat wil zeggen van de volgorde van elementaire reacties waarin de moleculen veranderingen ondergaan. In het geval van meerstapsmechanismeprocessen wordt de snelheid van de gehele reactie bepaald door de langzaamste stap. In een dergelijke situatie is het moeilijk om de tariefvergelijking nauwkeurig te bepalen, of het kan erg ingewikkeld zijn. De snelheidsvergelijking houdt ook verband met het concept van de volgorde van een chemische reactie . De volgorde wordt gedefinieerd als de som van de exponenten in de snelheidsvergelijking. Het bepaalt hoeveel moleculen, ionen of atomen moeten deelnemen aan een succesvolle botsing voordat een chemische reactie kan plaatsvinden.

Impact van katalysatoren op de snelheid van chemische reacties

Katalysatoren zijn stoffen waarvan de aanwezigheid in een systeem de snelheid van een chemische reactie verhoogt. Belangrijk is dat ze zelf niet reageren in de processen. Samen met substraten vormen ze zogenaamde actieve complexen, die veel gemakkelijker te transformeren zijn. Zodra de chemische reactie voltooid is, wordt de katalysator in zijn oorspronkelijke vorm geregenereerd. De belangrijkste taak van de katalysator is het verminderen van de activeringsenergie, dat wil zeggen de energie die moet worden geleverd om succesvolle botsingen tussen de bij de reactie betrokken substraten te laten plaatsvinden. We kunnen onderscheid maken tussen homogene katalyse (de katalysator en reactanten bevinden zich in dezelfde fysieke toestand), heterogene katalyse (de katalysator en reactanten bevinden zich in verschillende fysieke toestanden – het meest voorkomende type katalyse, waarbij de katalysator contact wordt genoemd) en autokatalyse. (een van de resulterende producten versnelt een verdere chemische reactie). Katalyse en katalysatoren zijn uiterst waardevolle en belangrijke aspecten van de meeste industriële processen, met name die in de chemische industrie . Katalysatoren worden gebruikt in de meeste technologische processen in de chemie, bijvoorbeeld bij de productie van salpeterzuur (V) of zwavelzuur (VI) zuur .