Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12
41Reactiesnelheden
Een fles melk die op het aanrecht blijft staan, is in een paar dagen zuur; in de koelkast blijft ze meer dan een week goed. Vuurwerk verbrandt in een fractie van een seconde, terwijl een kalkstenen beeld in een stadspark in eeuwen verweert. Kloppende reactievergelijkingen en voortgangstabellen zeggen wat een reactie oplevert en hoeveel; ze zeggen niets over hoe snel. Dit hoofdstuk meet de snelheid van reacties, zoekt uit wat die bepaalt, en beschrijft de eenvoudigste manier waarop een reactie onderweg vertraagt.
Wat je al weet
De concentratie van een oplossing (Hoofdstuk 26) en de voortgang van een reactie (Hoofdstuk 27). De absorbantie van een verdunde oplossing is evenredig met de concentratie van het gekleurde deeltje (Hoofdstuk 29). Een titratie meet de hoeveelheid van een deeltje (Hoofdstuk 36).
41.1 Een reactie in de tijd volgen
Sommige reacties zijn voorbij zodra de beginstoffen elkaar ontmoeten: het neerslaan van zilverchloride, de reactie van een zuur met een base. Andere duren minuten, uren of jaren. Om een langzame reactie te bestuderen, meten scheikundigen op vaste tijdstippen de concentratie van een beginstof of een reactieproduct. Ze kunnen
- kleine monsters nemen, in elk monster de reactie stoppen, en ze titreren;
- de absorbantie van de oplossing meten, als een beginstof of een reactieproduct gekleurd is;
- de druk of het volume van een gas dat vrijkomt meten, of de geleidbaarheid van een oplossing waarvan de ionen veranderen.
Definitie 41.1 (Afschrikken)
Een monster afschrikken is de reactie erin stoppen, of heel sterk vertragen, op het moment dat het genomen wordt, meestal door het plotseling af te koelen en te verdunnen, zodat je de samenstelling op je gemak kunt meten.
In het laboratorium — Een monster afschrikken
Om de vijf minuten wordt met een pipet van het reactiemengsel genomen en in een bekerglas met ongeveer ijskoud water gegoten. Vijf keer verdund en afgekoeld tot dicht bij wordt de reactie zo langzaam dat je haar als gestopt kunt beschouwen; daarna wordt het monster getitreerd. Het tijdstip van het monster is het moment waarop het in het ijswater werd gegoten, niet het moment van de titratie.
41.2 Kinetische factoren
Definitie 41.2 (Kinetische factor)
Een kinetische factor is een grootheid die de snelheid van een reactie verandert zonder te veranderen wat de reactie oplevert: de temperatuur, de concentraties van de beginstoffen, het contactoppervlak tussen beginstoffen in verschillende fasen, en de aanwezigheid van een katalysator (volgend hoofdstuk).
Propositie 41.3 (Warmer, geconcentreerder, fijner: sneller)
In het algemeen is een reactie sneller als de temperatuur hoger is, als de beginstoffen geconcentreerder zijn, en, bij een vaste beginstof, als die fijner verdeeld is.
Bewijs. Aangenomen, met een beeld: deeltjes die reageren, moeten elkaar ontmoeten, en hard genoeg. Ze concentreren maakt ontmoetingen frequenter; een vaste stof verdelen biedt meer oppervlak om elkaar te ontmoeten; verwarmen laat ze sneller bewegen, zodat ze elkaar vaker ontmoeten en, vooral, meer van de ontmoetingen energiek genoeg zijn om bindingen te verbreken. ∎
Voorbeeld 41.4 (Drie gevallen uit het dagelijks leven)
Voedsel blijft langer goed in de koelkast en veel langer in de vriezer: de reacties die het bederven, vertragen in de kou. Fijn meelstof in de lucht van een molen kan ontploffen, terwijl een zak meel alleen smeult: dezelfde reactie, een enorm contactoppervlak. Een bruistablet lost sneller op in water als je hem eerst fijnmaakt.
41.3 Verdwijningssnelheid en vormingssnelheid
Definitie 41.5 (Verdwijningssnelheid, vormingssnelheid)
In een oplossing met een constant volume is de verdwijningssnelheid van een beginstof A op tijdstip
en de vormingssnelheid van een reactieproduct P is . Beide zijn positief, in (of per seconde).
Methode 41.6 (Een snelheid aflezen met een raaklijn)
- Teken in de grafiek van tegen de raaklijn op het gekozen tijdstip.
- Lees twee punten ver uit elkaar op de raaklijn af en bereken haar helling, .
- De verdwijningssnelheid is het tegengestelde van deze helling (voor een reactieproduct de helling zelf).
Voorbeeld 41.7 (De beginsnelheid)
Op de blauwe kromme gaat de raaklijn bij van bij naar bij : haar helling is , dus de beginsnelheid van verdwijnen is . Later vlakt de kromme af en daalt de snelheid: de reactie vertraagt naarmate A opraakt.
41.4 Eerste-ordereacties
Definitie 41.8 (Eerste-ordereactie, snelheidsconstante)
Een reactie is een eerste-ordereactie in A als haar verdwijningssnelheid op elk moment evenredig is met de concentratie van A:
De positieve constante , in of , is de snelheidsconstante; ze hangt af van de temperatuur.
Propositie 41.9 (Exponentiële afname)
Voor een eerste-ordereactie met beginconcentratie geldt
Bewijs. De functie heeft als afgeleide , dus ze voldoet aan de snelheidsvergelijking, en . Dat het de enige zulke functie is, wordt hier aangenomen (het wordt in de wiskunde bewezen, voor vergelijkingen ). ∎
Methode 41.10 (Testen op eerste orde)
- Bereken uit de metingen op elk tijdstip (of voor een absorbantie die evenredig is met ).
- Zet uit tegen : omdat , liggen de punten op een rechte lijn dan en slechts dan als de reactie van de eerste orde is.
- De helling van de lijn is .
41.5 Halveringstijd
Definitie 41.11 (Halveringstijd)
De halveringstijd van een reactie is de tijd die de concentratie van de beperkende beginstof nodig heeft om tot de helft van haar beginwaarde te dalen.
Propositie 41.12 (Halveringstijd van een eerste-ordereactie)
Voor een eerste-ordereactie geldt
wat de beginconcentratie ook is; na halveringstijden is de concentratie gedeeld door .
Bewijs. geeft , dus . Elke volgende halveringstijd vermenigvuldigt de concentratie opnieuw met . ∎
Voorbeeld 41.13 (De halveringstijden aflezen)
Voor is : de concentratie daalt van 10.0 naar 5.0, dan 2.5, dan bij 13.9, 27.7 en . De warmere proef, met een twee keer zo grote , heeft de halve halveringstijd, , zoals de figuur laat zien.
Opmerking 41.14 (Halveringstijden elders)
Hetzelfde woord wordt in de natuurkunde gebruikt voor radioactieve kernen, waarvan het aantal op dezelfde exponentiële manier afneemt: radioactief verval gedraagt zich als een eerste-ordereactie. Het natuurkundeboek behandelt het.
41.6 Oefeningen
Oefening 41.1 ★
Noem de kinetische factor die in elk geval werkt: een koelkast houdt voedsel goed; poedersuiker lost sneller op dan een suikerklontje; een geconcentreerder zuur tast zink sneller aan; een doorgesneden appel wordt in de zomer sneller bruin.
Oplossing
Oplossing van Oefening 41.1.
Temperatuur; contactoppervlak; concentratie; temperatuur.
Oefening 41.2 ★
Lees in de figuur van tegen de tijd de halveringstijd van elke proef af. Wat is op de blauwe kromme na twee halveringstijden?
Oefening 41.3 ★
Een raaklijn aan de kromme van een reactieproduct, getekend bij , gaat door en . Wat is de vormingssnelheid van het product bij ?
Oefening 41.4 ★
Waarom wordt een monster in ijskoud water gegoten voordat het getitreerd wordt? Waarom moet het tijdstip van het monster genoteerd worden als het wordt uitgegoten, en niet als het wordt getitreerd?
Oefening 41.5 ★
Een eerste-ordereactie heeft een halveringstijd van . Welk deel van de beginstof is er na nog over? En na ?
Oplossing
Oplossing van Oefening 41.5.
is 3 halveringstijden: er blijft over. is 6 halveringstijden: , ongeveer .
Oefening 41.6 ★★
Concentraties van een beginstof, in : 8.00 bij , 5.66 bij , 4.00 bij , 2.83 bij , 2.00 bij . Bereken op elk tijdstip en laat zien dat de reactie van de eerste orde is. Bepaal en de halveringstijd.
Oplossing
Oplossing van Oefening 41.6.
: 2.079, 1.733, 1.386, 1.040, 0.693. Het daalt met 0.346 per : een rechte lijn, eerste orde. en (wat je ook direct ziet: 8.00, 4.00, 2.00 om de ).
Oefening 41.7 ★★
Een eerste-ordereactie heeft . Bereken .
Oplossing
Oplossing van Oefening 41.7.
.
Oefening 41.8 ★★
Bereken voor en de concentratie na 10, 30 en .
Oplossing
Oplossing van Oefening 41.8.
; ; .
Oefening 41.9 ★★
Schat in de figuur van tegen de tijd de helling van de blauwe kromme bij (teken een raaklijn), en vergelijk die met op dat tijdstip.
Oplossing
Oplossing van Oefening 41.9.
Bij is ; de helling van de raaklijn is ongeveer , en : de helft van de beginwaarde.
Oefening 41.10 ★★
Jood , bruin, ontstaat langzaam in een kleurloze oplossing. De absorbantie stijgt van 0 naar 0.60. Leg uit waarom je de absorbantie kunt gebruiken om te volgen, en hoe je de vormingssnelheid op een gegeven tijdstip afleest in de grafiek van tegen .
Oplossing
Oplossing van Oefening 41.10.
Jood is het enige gekleurde deeltje: volgens de wet van Lambert-Beer is . De vormingssnelheid is de helling van de raaklijn aan de kromme , dat is de helling van de raaklijn aan gedeeld door .
Oefening 41.11 ★★
Twee proeven met dezelfde reactie beginnen bij en . Vergelijk, als de reactie van de eerste orde is, hun beginsnelheden en hun halveringstijden.
Oplossing
Oplossing van Oefening 41.11.
De beginsnelheid is voor de tweede proef twee keer zo groot; de halveringstijden zijn gelijk, , onafhankelijk van .
Oefening 41.12 ★★★
Hoeveel halveringstijden heeft een eerste-ordereactie nodig om op van haar beginstof uit te komen? En op ? Geef de algemene formule voor de tijd om tot een fractie te dalen.
Oefening 41.13 ★★★
Een reactie heeft bij en bij . Hoe lang duurt het om bij elke temperatuur van de beginstof te verbruiken? Een bekende vuistregel zegt dat de snelheid verdubbelt per : volgt deze reactie die regel?
Oplossing
Oplossing van Oefening 41.13.
verbruikt, : , dat is bij en bij . De snelheidsconstante verdubbelt over : de regel klopt hier.
Oefening 41.14 ★★★
Een monster wordt afgeschrikt door in ijswater te gieten. Geef twee redenen waarom de reactie veel langzamer wordt. Met welke factor deelt de verdunning alleen de snelheid, als de reactie van de eerste orde is in elk van twee beginstoffen?
Oplossing
Oplossing van Oefening 41.14.
De temperatuur daalt tot dicht bij , en de concentraties worden door 10 gedeeld. Bij een snelheid die evenredig is met het product van twee concentraties deelt de verdunning alleen haar al door .
Oefening 41.15 ★★★
Laat door te differentiëren zien dat de verdwijningssnelheid bij een eerste-ordereactie zelf een exponentiële functie van de tijd is, . Wat is de beginsnelheid? Na hoeveel tijd is de snelheid de helft van de beginsnelheid?
Oplossing
Oplossing van Oefening 41.15.
. Beginsnelheid ; de snelheid is gehalveerd als , dat is na één halveringstijd.
41.7 Probleem: De verblekende kleurstof
Probleem 41.1
Weekendprobleem — kristalviolet ontkleurd door hydroxide-ionen: hoe lang duurt het tot de kleur bijna weg is?
De violette kleurstof kristalviolet reageert met hydroxide-ionen tot een kleurloos product. Bij een grote overmaat hydroxide hangt de snelheid alleen af van de concentratie van de kleurstof. De absorbantie van de oplossing wordt gemeten bij de golflengte waarbij de kleurstof het meest absorbeert:
| () | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | 15 | 20 | 25 |
| 0.800 | 0.639 | 0.501 | 0.402 | 0.315 | 0.255 | 0.199 | 0.143 | 0.078 | 0.046 |
Deel I — Absorbantie en concentratie.
- Waarom is de absorbantie evenredig met de concentratie van de kleurstof? Aan welke voorwaarde moet de oplossing voldoen?
- Waarom zie je het kleurloze product niet bij deze golflengte?
- Waarom wordt hydroxide in grote overmaat gebruikt?
- Wat zou je aan het eind van de reactie op de spectrofotometer aflezen?
Deel II — Is het eerste orde?
- Lees de halveringstijd direct in de tabel af.
- Controleer dat die van tot min dezelfde is.
- Bereken voor elk tijdstip.
- Zet uit tegen (of gebruik de figuur van het hoofdstuk). Wat zie je? Concludeer.
- Bereken de helling uit de punten bij 0 en .
Deel III — De snelheidsconstante.
- Leid af.
- Bereken de halveringstijd uit , en vergelijk met vraag 5.
- Bereken de beginsnelheid van verdwijnen van de kleurstof, uitgedrukt als de snelheid waarmee de absorbantie daalt.
- Wat zou de halveringstijd zijn als de beginabsorbantie 0.400 was?
Deel IV — Voorspelling.
- Voorspel de absorbantie bij .
- Op welk tijdstip daalt de absorbantie tot 0.008, van haar beginwaarde?
- Hoeveel halveringstijden is dat?
- Het oog ziet de kleur niet meer onder ongeveer . Wanneer ziet de oplossing er kleurloos uit?
- De proef wordt warmer herhaald, en de halveringstijd wordt . Wanneer is bereikt?
- Geef het eindantwoord: hoeveel halveringstijden heeft de kleur nodig om tot van haar beginwaarde te dalen, en hoeveel minuten is dat hier?
Oplossing
Oplossing van Probleem 41.1.
1. Door de wet van Lambert-Beer, omdat de kleurstof het enige deeltje is dat bij deze golflengte absorbeert; de oplossing moet verdund genoeg zijn ( onder ongeveer 1).
2. Het absorbeert geen zichtbaar licht: het draagt niets bij aan .
3. Zodat de concentratie ervan nauwelijks verandert: de snelheid hangt dan alleen van de kleurstof af.
4. (de blanco).
5. daalt in van 0.800 naar 0.402: ongeveer .
6. Van 0.402 bij naar 0.199 bij : opnieuw gehalveerd in .
7. , , , , , , , , , .
8. De punten liggen op een rechte lijn: de reactie is van de eerste orde in de kleurstof.
9. .
10. .
11. , zoals in de tabel afgelezen.
12. in absorbantie-eenheden per minuut.
13. Dezelfde, : een halveringstijd bij de eerste orde hangt niet af van de beginwaarde.
14. .
15. .
16. halveringstijden.
17. .
18. Nog steeds 6.6 halveringstijden, nu .
19. Ongeveer 6.6 halveringstijden, dat is hier ongeveer .