13.1 – Reaktionshastigheder

For at en kemisk reaktion kan finde sted, skal reaktanternes molekyler komme i kontakt med hinanden. Kollisionsteorien tyder på, at en reaktion kun finder sted, når molekyler kolliderer med den korrekte orientering, og med tilstrækkelig energi. Mange kollisioner kan forekomme, men kun få, leder faktisk til dannelse af et produkt. For eksempel, kig på reaktionen for nitrogen- og oxygenmolekyler (se figur 13.2). For at danne nitrogenoxid (NO) som produkt, skal kollisionerne mellem N₂ og O₂ molekylerne, ske med molekylerne i den rigtige orientering. Hvis molekylerne ikke er orienteret korrekt, finder der ikke nogen reaktion sted.

Aktiveringsenergi

Selv når en kollision har den korrekte orientering, skal der stadig være tilstrækkeligt med energi, til at bryde bindingerne mellem atomerne i reaktanterne. Aktiveringsenergien er den mindste mængde energi, der behøves for at bryde bindingerne mellem reaktanternes atomer. I figur 13.3, vises aktiveringsenergien som en ”energibakke”. Konceptet ved aktiveringsenergi er analog med det at bestige toppen af en bakke. For at nå destinationspunktet på den anden side, skal vi have den energi der er nødvendig, for at klatre over toppen af bakken. Når vi er kommet op på toppen, kan vi løbe ned på den anden side. Energien der behøves for at vi kan komme fra vores startposition til toppen af bakken, ville være vores aktiveringsenergi.

På samme måde, må en kollision levere nok energi til at skubbe reaktanterne op på toppen af energibakken. Så kan reaktanterne blive omdannet til produkter. Hvis energien der leveres af kollisionen er mindre end aktiveringsenergien, vil molekylerne blot ”hoppe” væk fra hinanden, og der vil ikke ske en reaktion. De egenskaber, som fører til en vellykket reaktion, er opsummeret herunder:

Tre betingelser der kræves før en reaktion kan finde sted:

• Kollision – Reaktanterne skal kollidere.
• Orientering – Reaktanterne skal orienteres korrekt, for at bryde og danne bindinger.
• Energi – Kollisionen skal som minimum levere energi der er lig med aktiveringsenergien.

Reaktionshastigheder

Reaktionshastigheden bestemmes ved at måle mængden af reaktant der forbruges af et produkt dannet på et bestemt tidsrum.

Måske er det lettere at beskrive reaktionshastigheden med en analogi for at spise en pizza. Når vi starter med at spise, har vi en hel pizza. Som tiden går, bliver der færre stykker pizza tilbage. Hvis vi ved hvor lang tid det tog at spise pizzaen, kan vi bestemme hastigheden hvormed, pizzaen blev spist. Lad os antage at der spises 4 skiver hvert 8. minut. Det giver en hastighed på ½ stykke pizza per minut. Efter 16 minutter, er alle 8 stykker pizza spist.

Faktorer der påvirker reaktionshastigheden

Nogle reaktioner går meget stærkt, mens andre går meget langsomt. For enhver reaktion, påvirkes reaktionshastigheden af ændringer i temperatur, ændringer i koncentrationen af reaktanter, og ved tilføjelse af katalysatorer.

Temperatur

Ved højere temperaturer, får den øgede kinetiske energi, de reagerende molekyler til at bevæge sig hurtigere. Som et resultat heraf, sker der flere kollisioner, og flere af de kolliderende molekyler, har tilstrækkeligt med energi, til at reagere og danne produkter. Hvis vi vil have madvarer til at blive tilberedt hurtigere, bruger vi mere varme til at hæve temperaturen. Når kropstemperaturen stigerm stiger både pulsen, åndedrætsfrekvensen, og den metaboliske hastighed. På den anden side, bremser vi reaktioner, ved at sænke temperaturen. Vi køler letfordærvelige fødevarer for at sænke nedbrydningen og give dem længere holdbarhed. Til nogle skader på kroppen, lægger vi is på skadesstedet, for at mindske det blå mærke som skaden måtte efterlade.

Koncentrationer af reaktanter
For stort set alle reaktioner, stiger reaktionshastigheden, når koncentrationen af reaktanter stiger, Når der er flere reagerende molekyler, kan der ske flere kollisioner der danner produkter, og reaktionen går hurtigere (se figur 13.4). For eksempel gives en person der har svært ved at få vejret, oxygen. Stigningen i antallet af oxygenmolekyler i lungerne, øger hastigheden hvormed oxygen kombinerer sig med hæmoglobin, og hjælper dermed personen til lettere at kunne få vejret.

Katalysatorer

En anden måde at øge reaktionshastigheden på, er ved at sænke niveauet for aktiveringsenergien. Aktiveringsenergien, er den energi der minimum kræves, for at bryde bindingerne i de reagerende molekyler. Hvis en kollision leverer mindre energi end aktiveringsenergien, vil bindingerne ikke brydes og de reagerende molekyler hopper blot væk fra hinanden igen. En katalysator fremmer en reaktion, ved at tilbyde en alternativ reaktionsvej, som har en lavere aktiveringsenergi. Når aktiveringsenergien sænkes, leverer flere kollisioner den nødvendige energi til, at reaktanter kan danne produkter. Under reaktionen, forbruges eller ændres en katalysator ikke.

Katalysatorer har mange anvendelsesmuligheder i industrien. I kroppen, gør biokatalysatorer kaldet enzymer, at metaboliske reaktioner kan ske med hastigheder, der er nødvendig for normal cellulær aktivitet. Enzymer tilføjes til vaskemidler for at nedbryde proteiner (proteaser), stivelser (amylaser), eller fedtstoffer (lipaser), som har plettet vores tøj. Disse enzymer virker ved de lavere temperaturer som vores vaskemaskiner vasker tøjet ved, og de er bionedbrydelige.

Faktorerne der påvirker reaktionshastigheden, er opsummeret i tabel 13.1.

Konceptforståelse 13.1

Reaktionshastigheder Vil en sænkning af koncentrationen af en reaktant, betyde en stigning eller sænkning af reaktionshastigheden? Forklar dit svar. Svar Når koncentrationen af en reaktant sænkes, er der færre kollisioner mellem reaktantmolekylerne, hvilket sænker reaktionshastigheden.

Opgaveeksempel 13.1

Faktorer der påvirker reaktionshastigheden Angiv om de følgende ændringer vil øge, sænke, eller ingen effekt have på reaktionshastigheden: a. Øge temperaturen b. Øge antallet af reagerende molekyler c. Tilføje en katalysator Løsning a. En højere temperatur, øger den kinetiske energi for partiklerne, hvilket øger antallet af kollisioner, og gør flere af kollisionerne effektive, hvilket forårsager en stigning i reaktionshastigheden. b. Ved at øge antallet af reagerende molekyler, øges antallet af kollisioner, og dermed reaktionshastigheden. c. Tilføjelse af en katalysator, øger reaktionshastigheden ved at sænke aktiveringsenergien, hvilket øger antallet af kollisioner der kan danne et produkt.

13.2 – Kemisk ligevægt →