Reaktionshastigheder

Betingelser der skal være opfyldt for at en kemisk reaktion kan foregå

For at en kemisk reaktion kan foregå er der brug for sammenstød mellem nogle partikler af forskellige stoffer. Disse partikler skal have tilstrækkelig høj hastighed for at reaktionen kan forløbe. Hvis ikke partiklerne har en stor nok hastighed, vil de ikke reagere med hinanden og derved vil der ikke foregå en reaktion. En hurtig afbrænding er, hvor reaktionen foregår momentant (straks).
Hastigheden for en reaktion kan regnes ved hjælp af formlen:

Δ[stof] = stofmængdekoncentrationen
Δt = tiden
Når man måler denne reaktionshastighed måler man hvor meget stof der omdannes pr. tidsenhed (sekund).

Faktorer der har indflydelse på en reaktionshastighed
Der findes forskellige faktorer der påvirker reaktionshastigheden, kort sagt : stofferne, temperaturen, koncentrationen og overfladen.
Reaktionshastigheden afhænger af hvike stoffer der reagerer, da alle stoffer selvfølgelig ikke reagerer lige hurtigt. Dette afhænger altså af metallernes spændingsrække, da denne fortæller noget om, hvilke metaller der kan reagere med hvilke. Som eksempel kan vi tage den virkelige verden. Her reagerer for eksempel luft og jern over en længere periode, og danner rust, hvorimod luft og papir ikke reagerer særlig hurtigt, hvis dette var tilfældet ville papir jo ikke holde særlig længe.
Derudover afhænger reaktionshastigheden også af temperaturen på partiklerne. Man kan se det som noget farvestof i noget vand. Her fordeles farvestoffet hurtigere i det varme vand end i det kolde. Dette skyldes, at molekylernes fart er højere i varmt vand, og dermed sker der flere sammenstød. Dette giver mere fordeling. Reaktionshastigheden stiger altså når
temperaturen hæves. En tommelfingerregel er, at reaktionshastigheden fordobles, når temperaturen stiger 10 grader. Det vil altså sige, at reaktionshastigheden stiger ved høj temperatur, da partiklerne bevæger sig hurtigere, og der derved sker flere sammenstød. I koldt vand derimod er reaktionen langsom, da partiklerne ikke bevæger sig nær så hurtigt, og på den måde støder de ikke nær så ofte sammen. (Dette ses også i et forsøg kaldet Landolts hvor reaktionshastigheden stiger fra 66 sek. til 34 sek. når temperaturen øges. Reaktionen er altså sket på kortere tid. )
Koncentrationen har det at sige, at jo flere partikler der er til stede, jo mere reaktion. Koncentrationen er jo et mål for antallet af partikler, og derfor vil der ske flere reaktioner jo flere partikler der er. I og med der vil komme flere reaktioner vil reaktionshastigheden øges. (Dette ses også i Landolts forsøg, da reaktionshastigheden var lavere end den generelle reaktionshastighed, da koncentrationen af KIO3 blev mindre. Her var reaktionshastigheden 87 sek., hvor den generelle reaktionshastighed var 66 sek. Derudover steg reaktionshastigheden også fra 66 sek. Til 24 sek. Da koncentrationen af KIO3 blev øget.)
Før vi kommer til overfladens indspilning skal to begreber på plads først. Der findes nemlig forskellige reaktioner, homogene og heterogene. Homogene reaktioner er kemiske reaktioner mellem to stoffer der har samme tilstandsform, for eksempel fast. Heterogene reaktioner det modsatte, altså kemiske reaktioner mellem to stoffer, som ikke har samme tilstandsform, for eksempel fast og gasform.
Overfladens påvirkning af reaktionshastigheder er også ret så stor. Det er nemlig sådan, at ved heterogene reaktioner skal stofferne røre hinanden. Måden dette sker på, er via overfladen. For at en reaktionshastighed øges skal overfladen hvor de to stoffer reagerer på også være stor. Dette kan ske ved at brække det i flere stykker eller ved pulverisering af metaller. Ved pulverisering øges reaktionshastigheden mest muligt, da overfladen her er større end ved et helt stykke metal. Altså er den overflade hvorpå partiklerne mødes altafgørende, da større overflade giver større reaktionsmuligheder og altså højere reaktionshastighed. Hvis vi tager et eksempel, reagerer svovlsyre og metal også hurtigere på et større overflade areal, da reaktionsmulighederne da bliver større.
Katalysatorer
Mange reaktioner forløber meget langsomt eller slet ikke, fordi aktiveringsenergien er meget høj. Dette kan en katalysator lave om på. Den gør nemlig, at reaktionen kan forløbe ved lavere aktiveringsenergi. En katalysator er et stof, som øger hastigheden for en kemisk reaktion uden selv at blive brugt. Her laves en katalyse. Forbruget af reaktanten øges ikke, men processen forløber bare hurtigere. En energiprofil, som vi senere skal kigge lidt på, sammen med aktiveringsenergien fortæller noget om der er en katalysator eller ej i reaktionen. Katalysatoren indgår altså ikke selv i selve reaktionen.
Når vi snakker om katalysatorer bruges homogene og heterogene processer meget. Ved homogen katalyse har katalysatoren samme tilstandsform som reaktanterne. Heterogen katalyse er hvor katalysatoren ikke har samme tilstandsform som reaktanterne. De homogene processer er ofte organiske komplekser mens heterogene processer ofte består at et metal.

Aktiveringsenergi i en kemisk reaktion.
Som det ses i ovenstående emne har katalysatorer altså en kæmpe indflydelse på aktiveringsenergien i en kemisk reaktion. Denne skal vi nu kigge lidt mere på.
Når man snakker om aktiveringsenergi, er det et udtryk for, hvor meget energi en reaktion behøver for at kunne forløbe. Det at en proces forløber kræver altså, at to molekyler støder rigtigt sammen, og at partiklerne samlet har det nødvendige energioverskud (aktiveringsenergi) for at reaktionen kan forløbe. Den energi der skal bruges, bruges på at bindingselektronerne mellem atomerne omplaceres, så der kommer fælles elektronpar mellem de to hold, for at de nye molekyler nu kan laves. Energien der kræves for at flytningen kan finde sted kaldes for aktiveringsenergien. Afbildningen af dette kaldes en energiprofil. Hvis man tilsætter en katalysator mindskes denne aktiveringsenergi, og derved ændrer energiprofilen sig også. Energiprofilen fortæller altså hurtigt, om der er en katalysator eller ej. Den energi der lageres eller afgives ved den kemiske reaktion kan regnes ud fra entalpier ved hjælp af følgende formel:

Forskellen i ∆H^⊖ fortæller noget forskellen af energi i systemet. Enheden er her oftest [Kj/mol]. ∆H^⊖ fortæller også her noget om reaktionen er exoterm eller endoterm, det er nemlig sådan, at reaktionen er exoterm (energiafgivende) hvis 0>∆H^⊖ og endoterm (vil gerne have energi) hvis 0<∆H^⊖.

Det er også sådan, at reaktionshastigheden er langsom, hvis aktiveringsenergien er høj. Hertil er reaktionshastigheden også høj, hvis aktiveringsenergien er lav altså, hvis processen ikke behøver særlig meget energi for at forløbe. Denne aktiveringsenergi kan også bruges til matematik-kemi opgaver hvor vi kan regne omkring regression og reaktionshastigheder. Her så vi nemlig, at hvis vi havde en tendenslinje med en angivet a-værdi og gaskonstanten var det muligt at regne aktiveringsenergien (Ea) ud:

Reaktionshastigheder
Indenfor reaktionshastigheder findes forskellige metoder hvorpå disse kan regnes. Formlerne afhænger af hvilken orden reaktionen har.
Generelt kan reaktionshastigheden regnes som:

Her står k for hastighedskonstanten, [A] og [B] for de aktuelle stofmængdekoncentrationer af stofferne. X angiver reaktionsordenen med hensyn til A og y angiver reaktionsordenen med hensyn til B. Den samlede reaktionsorden er altså x+y.
Dette generelle udtryk kan altså bruges i alle ordner.

En orden siger noget om hvorvidt hastigheden er afhængig af koncentrationen af de reagerende stoffer.
For en 0. Orden er linjen i et koordinat system liniært aftagende. Her er den aktuelle stofmængdekoncentration af A liniært aftagende med tiden t. Hastighedenskonstanten k kan herud fra findes ved at bestemme linjens hældningskoefficient, a.
Her er 𝑎=−𝑘. Reaktioneshastigheden er her uafhængig af den aktuelle stofmængdekoncentration af reaktanten A. Hastighedsudtrykket hedder derfor: