Magnesium met zoutzuur (model) - CMA

Magnesium met zoutzuur
(model)
SCHEIKUNDE
Reactiekinetiek
Toelichting
Reactiesnelheid
Een chemische reactie is een proces waarbij beginstoffen (reactanten) worden omgezet in
andere stoffen (producten). De snelheid waarmee een product wordt gevormd, kan ook
worden gezien als de snelheid waarmee een beginstof verdwijnt. Dit noemen we ook wel
de reactiesnelheid.
Voor een simpele, één-stapsreactie A → B kan de reactiesnelheid uitgedrukt worden als de
verandering van de concentratie in de tijd, oftewel:
∆[𝐴]
∆[𝐵]
𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑 = −
=+
∆𝑡
∆𝑡
Beginstoffen krijgen een min-teken (-) omdat Δ[A] negatief is, maar de reactiesnelheid wel
een positieve waarde heeft. Voor een complexere reactie, waarbij stoffen in een bepaalde
verhouding met elkaar reageren, zoals:
aA + bB → cC + dD
is de snelheid te schrijven als:
1 ∆[𝐴]
1 ∆[𝐵]
1 ∆[𝐶]
1 ∆[𝐷]
𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑 = − ∗
=− ∗
=+ ∗
=+ ∗
𝑎 ∆𝑡
𝑏 ∆𝑡
𝑐 ∆𝑡
𝑑 ∆𝑡
Globaal komt de reactiesnelheid neer op een verband tussen een constante k en
(relevante) concentraties:
𝑠𝑛𝑒𝑙ℎ𝑒𝑖𝑑 = 𝑘 ∗ [𝐴]𝑥
Een formule van dit type wordt in deze lesactiviteit gebruikt. Hierbij wordt de aanname
gedaan dat de concentratie OH- tijdens deze reactie niet of nauwelijks verandert, omdat
deze in ruime overmaat wordt toegevoegd. Daardoor is de reactiesnelheid alleen
afhankelijk van de concentratieverandering van KV
De reactiesnelheid kan op verschillende manieren bepaald worden, zoals:




Vorming van gas: meten van het volume gas dat tijdens de reactie verandert;
Vorming van gas: meten van een drukverandering die tijdens de reactie optreedt
Verandering van kleur: meten van de kleurintensiteit die tijdens de reactie verandert;
Vorming van ionen: meten van de geleidbaarheid die tijdens de reactie verandert.
Uit deze formules volgt automatisch dat de reactiesnelheid tijdens de reactie niet constant
is. De concentraties van de reagerende stoffen neemt immers gedurende de reactie af,
dus de reactiesnelheid ook. Dit is echter geen lineair verband, waardoor de grafieken van
bijvoorbeeld de reactiesnelheid zich volgens een differentiaalvergelijking laten beschrijven.
Magnesium met zoutzuur (model) – Toelichting
1
Factoren die de reactiesnelheid beïnvloeden
Elke chemische reactie verloopt met een bepaalde snelheid. Door de omstandigheden te
veranderen kan de reactiesnelheid beïnvloed worden. Binnen het botsende deeltjesmodel
zijn er vijf factoren die de reactiesnelheid kunnen beïnvloeden





Soort stof: Hoewel er bepaalde trends (zoals in het periodiek systeem) zichtbaar zijn,
reageert elke stof op zijn eigen manier.
Temperatuur: Het verhogen van de temperatuur zorgt dat deeltjes sneller en met
meer energie bewegen. De kwantitatieve invloed van de temperatuur wordt
beschreven met de Arrheniusvergelijking (zie onder). Sterk vereenvoudigd kan
gezegd worden dat de reactie voor elke toename van 10 graden twee keer zo snel
verloopt
Concentratie: Als de concentratie van de reagerende deeltjes toeneemt, kunnen er
meer botsingen plaatsvinden. Hierdoor neemt de reactiesnelheid toe.
o Druk: Voor gassen geldt dat het laten toenemen van de druk ook de
reactiesnelheid verhoogt. Het verhogen van de druk kan gezien worden
als het verkleinen van het volume, waardoor de concentratie van de
gasvormige stoffen toeneemt en er meer botsingen zullen plaatsvinden
Verdelingsgraad: In reacties waar vaste stoffen bij betrokken zijn, vindt de reactie
aan het oppervlak plaats. Als de reagerende stof beter verdeeld is (bijvoorbeeld
verpoederd) is het oppervlak veel groter. Er vinden meer botsingen plaats, waardoor
de reactiesnelheid toeneemt.
Katalysator: De aanwezigheid van een katalysator versnelt de reactie doordat er
gebruik wordt gemaakt van een ander reactiemechanisme met lagere
activeringsenergie.
Reactie-orde
Algemeen kan gezegd worden dat de reactiesnelheid afhangt van de concentratie van de
reagerende stoffen. Voor de reactie:
aA + bB → cC + dD
kan de reactiesnelheid geschreven worden als
𝑠 = 𝑘 ∗ [𝐴]𝑥 ∗ [𝐵]𝑦
Hierin is k de reactiesnelheidsconstante. Deze is echter onder andere afhankelijk van de
temperatuur en de verdelingsgraad. De exponenten x en y zijn de reactie-ordes. Deze
hangen af van het reactiemechanisme en moeten experimenteel bepaald worden. Vaak
wijken deze af van de bijbehorende reactiecoëfficiënten in de reactievergelijking.
De som van x en y is de totale orde van de reactie.
2
CMA Lesmateriaal
In een nulde-orde reactie is de snelheid
van de reactie onafhankelijk van de
concentratie van de reactant(en). De
reactiesnelheid is gedurende de hele
reactie hetzelfde. In de figuur hiernaast
geeft de rode lijn een nulde-orde reactie
weer.
In een eerste-orde reactie is de
reactiesnelheid lineair afhankelijk van
de concentratie. Als de concentratie
daalt, daalt de reactiesnelheid met
eenzelfde factor. In de figuur hiernaast
geeft de groene lijn een eerste-orde
reactie weer.
In een tweede-orde reactie is de
reactiesnelheid kwadratisch afhankelijk
van de concentratie. De reactiesnelheid
daalt snel als de concentratie daalt. In
de figuur hiernaast geeft de blauwe lijn
een tweede-orde reactie weer.
Magnesium en zoutzuur
In deze activiteit bekijken leerlingen de reactie tussen magnesium en waterstofionen. De
reactievergelijking voor deze reactie is als volgt weer te geven:
Mg (s) + 2 H+ (aq)  Mg2+ (aq) + H2 (g)
De vergelijking voor de reactiesnelheid voor deze reactie is:
s = k·[Mg]x·[H+]y
Hierin zijn x en y de reactie-orde voor respectievelijk Mg en H+. De totale orde van deze
reactie is dan x + y. Je zou vooraf kunnen stellen dat [Mg] = 0. De reden hiervoor is dat
magnesium geen opgeloste stof is. Net als bij de concentratiebreuk wordt een vaste stof
vaak niet meegenomen in de reactiesnelheidsvergelijking, omdat deze (meestal) met
concentraties werkt.
Het zou ook een veilige aanname zijn om op basis van de reactievergelijking y op 2 te
stellen.
In Birk et al (JCE, 1993) wordt de oppervlakte van het stukje magnesium echter wel
meegenomen in de vergelijking:
s = k*(oppervlakte van Mg)*[H+]2
De waarde van k wordt in dat experiment bepaald als zijnde 0,0272 (bij 32 graden
Celsius). Het verwerken van deze vergelijking in het model zou kunnen resulteren in een
meer nauwkeurige fit.
Magnesium met zoutzuur (model) – Toelichting
3