Factoren die het tarief beïnvloeden: Concentratie, Temperatuur, Oppervlakte

De snelheid van een chemische reactie neemt toe met hogere reagentiaconcentratie, hogere temperatuur, groter oppervlak van vaste stoffen en de aanwezigheid van een katalysator, omdat elk van deze het aantal of het succes van botsingen tussen deeltjes verhoogt. In het kort: als vuistregel verdubbelt de snelheid van vele reacties voor elke temperatuurstijging van 10 °C, zodat het verwarmen van een mengsel van 20 °C tot 60 °C de reactie ongeveer 16 keer sneller kan maken.

Door te begrijpen wat de controle op het tempo is, kunnen we nuttige reacties versnellen, zoals de productie van ammoniak, en schadelijke reacties vertragen, zoals het bederf van voedsel. Dit artikel beschrijft elke factor met zijn moleculaire uitleg en een uitgewerkt voorbeeld, geeft een overzichtstabel en legt de geschiedenis van de temperatuurregel uit.

Welke factoren beïnvloeden de reactiesnelheid?

Volgens de botsingstheorie vindt er een reactie plaats wanneer deeltjes botsen met genoeg energie en met de juiste oriëntatie. Alles wat de frequentie van botsingen of de breuken die succesvol zijn verhoogt, zal de reactie versnellen. De belangrijkste factoren zijn:

de concentratie van de reagentia (of druk voor gassen),
de temperatuur,
het oppervlak van vaste reagentia,
de aanwezigheid van een katalysator;
de aard van de reagentia en, in sommige gevallen, licht.

Hoe beïnvloedt concentratie de snelheid?

Bij een hogere concentratie zijn er meer deeltjes in een bepaald volume, dus botsen ze vaker. In het algemeen is het percentage evenredig met de concentratie van elke reactiemiddel verhoogd tot een bepaalde macht, zoals gegeven door de tariefwet. Voor gassen heeft een toename van de druk hetzelfde effect als een toename van de concentratie. Zuivere vaste stoffen en vloeistoffen hebben een constante concentratie, waardoor het veranderen van hun hoeveelheid niet verandert de snelheid, hoewel het kan veranderen van oppervlakte.

Het effect van een concentratieverandering hangt af van de reactieorde. Als het percentage evenredig is met [A], verdubbelt de concentratie de snelheid. Als het evenredig is aan [A]²,, verviervoudigt het de snelheid . Een brandende spalk gloeit in de lucht, maar in zuivere zuurstof barst het in vlammen op omdat de concentratie van zuurstof ongeveer vijf keer hoger is.

Hoe beïnvloedt temperatuur de snelheid?

De temperatuur verhogen heeft twee effecten. Deeltjes bewegen sneller, dus botsen ze vaker, maar dit is slechts een klein effect (de botsingsfrequentie is evenredig met de wortel van T, die alleen met ongeveer 1.7 % toeneemt als de temperatuur gaat van 300 K tot 310 K). Het belangrijkste effect is dat een veel groter deel van de botsingen energie hebben die groter is dan de activeringsenergie. De fractie deeltjes met genoeg energie om te reageren stijgt ongeveer exponentieel met temperatuur, zoals beschreven door de Arrhenius vergelijking.

Veel reacties bij kamertemperatuur ongeveer twee keer of drievoudig in snelheid voor elke stijging van 10 °C. Dit is slechts een vuistregel, aangezien de grootte van het effect afhankelijk is van de activeringsenergie.

Hoe beïnvloedt het oppervlak de snelheid?

Een reactie tussen een vaste stof en een vloeistof of gas kan alleen plaatsvinden aan het oppervlak van de vaste stof. De stof in kleinere stukken verdelen, geeft meer oppervlakte aan. Voor een kubus met een zijde van 1 cm, is het oppervlak 6 cm². Als het in 1000 blokjes van 1 mm zijde wordt gesneden, heeft elk een oppervlak van 6 mm²,, wat een totaal van 6000 mm² = 60 cm²,, geeft dat tien keer groter is. In poeder gepoederd magnesium reageert veel sneller met zuur dan een lint, en suiker lost sneller op als poeder dan als een brokje.

Zeer fijne poeders en stof, zoals meel, kolenstof of graanstof, kunnen explosief reageren met zuurstof, omdat het oppervlak zo groot is dat de reactie zich in een oogwenk door de hele wolk kan verspreiden. De stofexplosies hebben ernstige industriële ongevallen veroorzaakt.

Welke andere factoren zijn belangrijk?

Catalyst: ze bieden een andere route met een lagere activeringsenergie en versnellen de reactie zonder dat deze wordt verbruikt.
Aard van de reagentia: reacties die alleen de herschikking van elektronen nodig hebben, zoals in zuur- en basisreacties van ionen, zijn zeer snel, terwijl reacties die het breken van vele sterke covalente bindingen vereisen traag zijn.
Licht: fotochemische reacties, zoals fotosynthese en de reactie van waterstof met chloor, hebben fotonen nodig om de energie te leveren.
Mengen en diffusie: roeren helpt om de reagentia samen te brengen.
Oplosmiddel en ionsterkte: deze kunnen de snelheid van reacties in oplossing veranderen.

Relatieve snelheidsconstante voor een reactie met E_a = 50 kJ/mol,, berekend uit de Arrheniusvergelijking. De curve stijgt sneller naarmate de temperatuur toeneemt; tussen 298 K en 308 K, k groeit met een factor van ongeveer 1.9, en de snelheidsconstante bij 320 K is ongeveer 4 maal de waarde bij 298 K.

Schematisch overzicht

Hoe verschillende factoren een reactie versnellen
Factor	Verschil	Effect op deeltjes	Voorbeeld van elke dag
Concentratie	Toename	Meer botsingen per seconde	Spalk brandt sneller in zuivere zuurstof
Temperatuur	Toename	Meer deeltjes met E ≥ E_a	Voedsel bederft sneller als het warm is
Oppervlakte	Toename	Meer deeltjes blootgesteld	Poedersuiker lost snel op
katalysatoren	Toevoegen	Lagere activeringsenergie	Enzymen in de spijsvertering
Druk (gassen)	Toename	Hogere concentratie	Industriële gasreactoren

Uitgewerkte voorbeelden

Voorbeeld 1: het effect van temperatuur op de tijd

Een reactie duurt 160 minuten bij 20 °C. Als de snelheid verdubbelt voor elke 10 °C stijging, hoe lang zal het duren bij 60 °C? De temperatuurstijging is 40 °C, dat is vier stappen van 10 °C, dus de snelheid stijgt met 2⁴ = 16 keer. De tijd valt tot 160 / 16 = 10 minuten.

Voorbeeld 2: het effect van de concentratie

De snelheid van een reactie wordt gegeven door de snelheid = k[A]². Door welke factor verandert de snelheid als [A] verdrievoudigd is? De koers verandert met 3² = 9. Als [A] gehalveerd wordt, verandert de snelheid met (½)² = ¼.

Voorbeeld 3: het effect van oppervlakte

Een kubus in kleinere blokjes snijden met een zijlengte 10 keer kleiner verhoogt het totale oppervlak met een factor 10, en met een zijlengte 100 keer kleiner met een factor 100. Een reactie tussen een klontje marmer en zuur dat 100 s nodig heeft om te eindigen duurt dus ongeveer 10 s als de klont in stukken wordt gemalen met een tiende van de lengte van de zijde, ervan uitgaande dat het tarief evenredig is aan het blootgestelde gebied.

Wie vond de temperatuurregel?

De observatie dat de reactiesnelheid voor elke 10 K-verhoging dubbel of drievoudig is, werd geformuleerd door Jacobus van ‘t Hoff in 1884. De exponentiële afhankelijkheid van temperatuur werd een theoretische vorm gegeven door Svante Arrhenius in 1889, die voorstelde dat moleculen een minimale energie moeten verwerven voordat ze kunnen reageren. Collision theorie, ontwikkeld door Max Trautz in 1916 en William Lewis in 1918, legde uit waarom de fractie van energetische botsingen zo sterk stijgt met temperatuur.

Welke fouten zijn er vaak?

Denkend dat meer botsingen het belangrijkste effect zijn van een hogere temperatuur: het is de hogere fractie van energetische botsingen.
Ervan uitgaande dat een verdubbeling van elke 10 °C een wet is: het is slechts een benadering.
Gelooft dat een katalysator het evenwicht verandert: het versnelt de voorwaartse en omgekeerde reacties.
Vergeet de volgorde: verdubbeling van de concentratie is niet altijd het dubbele van de snelheid.
Mengsnelheid en -omvang: een snellere reactie maakt niet meer product in evenwicht.