Samenvatting · Scheikunde · vwo 5 Reactiesnelheid: botsende deeltjes, activeringsenergie en katalyse

Waarom roest een spijker langzaam en brandt een vlam snel, en waarom bewaar je melk in de koelkast? Na deze samenvatting kun je een reactiesnelheid uit meetgegevens bepalen, de snelheden van verschillende stoffen aan elkaar koppelen, met het botsende-deeltjesmodel en een energieverdeling de invloed van concentratie, temperatuur en katalysator verklaren en een katalyse met een tussenstap beschrijven.

Reactiesnelheid bepalen

De reactiesnelheid van een stof is de verandering van zijn concentratie per tijdseenheid. Voor een beginstof A die verdwijnt:

Voor een product is er geen minteken. De eenheid is mol L${}^{-1}$ s${}^{-1}$. Zo meet je de gemiddelde snelheid over een tijdsinterval. De snelheid op één moment (de momentane snelheid) vind je in een concentratie-tijddiagram als de helling van de raaklijn aan de curve op dat tijdstip.

De snelheid neemt af doordat de concentratie van de beginstof daalt. De curve is daarom aan het begin steil en wordt steeds vlakker.

Snelheden van verschillende stoffen

De snelheden waarmee de stoffen in één reactie verdwijnen of ontstaan, verhouden zich als de coëfficiënten. Bij $2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$ verdwijnt ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ twee keer zo snel als ${\mathrm{O}}_2$ ontstaat.

Botsende deeltjes en activeringsenergie

Volgens het botsende-deeltjesmodel kunnen deeltjes alleen reageren als ze botsen. Een botsing is effectief als:

De deeltjes in een stof hebben niet allemaal dezelfde energie. In een energieverdelingsdiagram staat de energie op de horizontale as en het aantal deeltjes op de verticale as. De curve heeft een top en loopt rechts langzaam uit. Het deel van de deeltjes dat rechts van $E_a$ ligt, kan effectief botsen. Dat deel is klein.

Factoren die de snelheid bepalen

Temperatuur werkt op twee manieren: de deeltjes botsen vaker, maar vooral heeft een veel groter deel van de botsingen voldoende energie. Daarom gaat een reactie bij een temperatuurstijging van 10 K ruwweg twee keer zo snel (een vuistregel, geen wet).

Bij een vaste stof is de concentratie constant. Daar is het oppervlak dat contact maakt met de reagerende stof de bepalende factor. Daarom reageren fijn verdeelde vaste stoffen, zoals poeder, veel sneller dan een grote brok.

Katalyse

Een katalysator versnelt een reactie zonder zelf te worden verbruikt. Hij biedt een andere route met een lagere activeringsenergie. De katalysator verandert de ligging van een evenwicht en de reactiewarmte niet: hij versnelt de heengaande en de teruggaande reactie evenveel.

• Bij heterogene katalyse zit de katalysator in een andere fase dan de reagerende stoffen. Voorbeelden zijn vast platina in een autokatalysator, vast ijzer bij de ammoniaksynthese en vast vanadium(V)oxide bij de productie van zwavelzuur. De reactie vindt plaats aan het oppervlak.
• Bij homogene katalyse zit de katalysator in dezelfde fase. Een voorbeeld is jodide-ionen die de ontleding van waterstofperoxide in water katalyseren.
• Een enzym is een biologische katalysator, zoals het enzym katalase dat waterstofperoxide in cellen afbreekt.

Een katalyse verloopt meestal via een tussenstap. De katalysator reageert mee en komt weer terug, zodat hij in de totaalvergelijking niet voorkomt. Bij de ontleding van waterstofperoxide met ${\mathrm{I}}^{-}$:

Tel je beide stappen op en laat je $\mathrm{I}{\mathrm{O}}^{-}$ en ${\mathrm{I}}^{-}$ tegen elkaar wegvallen, dan houd je over: $2{\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2\to 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{O}}_2$

Valkuilen

• De reactiesnelheid zegt niets over de hoeveelheid product die uiteindelijk ontstaat. Snelheid gaat over tijd, rendement over hoeveelheid.
• Snelheden van verschillende stoffen in één reactie zijn niet gelijk, ze verhouden zich als de coëfficiënten.
• Hogere temperatuur betekent vooral een groter deel van de botsingen met minstens $E_a$, niet alleen meer botsingen.
• Een katalysator verandert niets aan de reactiewarmte, aan de ligging van een evenwicht of aan de beginstoffen en producten.
• Een hogere concentratie geeft meer botsingen, niet een hogere energie per botsing.
• Reken het gasvolume om naar mol en dan naar concentratie, voordat je een snelheid in mol L${}^{-1}$ s${}^{-1}$ opschrijft.

In het kort

• $v=-\frac{\Delta [\mathrm{A}]}{\Delta t}$ voor een beginstof; de momentane snelheid is de helling van de raaklijn.
• De snelheden van verschillende stoffen verhouden zich als de coëfficiënten.
• Een botsing is effectief bij voldoende energie (minstens $E_a$) en de juiste oriëntatie.
• Hogere concentratie, fijnere verdeling en hogere temperatuur versnellen een reactie, ieder door meer effectieve botsingen.
• Een katalysator verlaagt $E_a$ via een tussenstap, wordt niet verbruikt en verschuift geen evenwicht.