B1.1 Reaktionshastighed
Fyrværkeri brænder af på et øjeblik. En brusetablet er opløst på et minut, mælk bliver sur på nogle dage, og en cykel ruster over flere år. Kemiske reaktioner forløber med meget forskellig fart, og den fart kan måles.
Hvad er reaktionshastighed?
Under en reaktion bliver reaktanterne brugt, og produkterne bliver dannet. Koncentrationen af reaktanterne falder altså, og koncentrationen af produkterne stiger.
Reaktionshastigheden fortæller, hvor meget koncentrationen af et stof ændrer sig i hvert sekund. Den har symbolet v og enheden M/s.
I dette afsnit bruges én reaktion som eksempel. Når bromationer og bromidioner blandes i en sur opløsning, dannes der brom:
BrO3−(aq) + 5 Br−(aq) + 6 H+(aq) → 3 Br2(aq) + 3 H2O(l)
Brom er gult, og de andre stoffer er farveløse. Man kan derfor se reaktionen skride frem, fordi opløsningen bliver mere og mere gul.
Koncentrationen som funktion af tiden
Måler man koncentrationerne undervejs, kan de tegnes ind i en graf med tiden på den vandrette akse.
| Tid | [BrO3−] | [Br2] |
|---|---|---|
| 0 s | 1,00 mM | 0,00 mM |
| 60 s | 0,50 mM | 1,50 mM |
| 120 s | 0,25 mM | 2,25 mM |
| 180 s | 0,12 mM | 2,63 mM |
| 240 s | 0,06 mM | 2,81 mM |
| 300 s | 0,03 mM | 2,91 mM |
Enheden mM betyder millimolær. 1 mM er 0,001 M.
Begge kurver er stejle i begyndelsen og flader ud til sidst. Jo stejlere kurven er, jo hurtigere ændrer koncentrationen sig, og jo større er reaktionshastigheden. Reaktionen går altså hurtigst i begyndelsen.
Gennemsnitshastighed
Gennemsnitshastigheden i et tidsrum er ændringen i koncentrationen divideret med den tid, der er gået. Ændringen skrives med det græske bogstav Δ, som læses delta.
For et produkt, hvor koncentrationen stiger:
\[ v = \frac{\Delta[\text{produkt}]}{\Delta t} \]
For en reaktant falder koncentrationen, så ændringen er negativ. Der sættes derfor et minus foran, så hastigheden altid bliver et positivt tal:
\[ v = -\frac{\Delta[\text{reaktant}]}{\Delta t} \]
I det næste minut, fra 60 s til 120 s, falder koncentrationen kun med 0,25 mM. Gennemsnitshastigheden er nu 4,2 · 10−6 M/s. Det er det halve af før.
Hastigheden til et bestemt tidspunkt
Gennemsnitshastigheden fortæller ikke, hvor hurtigt reaktionen går lige nu. Det gør hældningen på kurven i netop det punkt. Den findes ved at tegne en tangent, som er en ret linje, der rører kurven i punktet og har samme hældning som kurven dér.
Sådan finder du hastigheden til et bestemt tidspunkt:
- Læg en lineal, så den rører kurven i punktet og følger kurvens retning.
- Tegn tangenten, og gør den lang.
- Aflæs to punkter på tangenten, som ligger langt fra hinanden.
- Beregn hældningen som forskellen i koncentration divideret med forskellen i tid.
- Hastigheden er hældningen uden fortegn.
Tangenten i t = 120 s er meget fladere. Her er hastigheden kun 2,9 · 10−6 M/s. Reaktionshastigheden falder altså hele tiden, mens reaktionen forløber. Forklaringen er, at reaktanterne bliver brugt op, og det kan du læse mere om i afsnit B1.2.
Samme reaktion, forskellige hastigheder
Reaktionsskemaet viser, at der dannes 3 Br2, hver gang 1 BrO3− bliver brugt. Koncentrationen af brom ændrer sig derfor 3 gange så hurtigt som koncentrationen af bromat:
\[ v(\mathrm{Br_2}) = 3 \cdot v(\mathrm{BrO_3^-}) \]
Det passer med tabellen. I det første minut falder [BrO3−] med 0,50 mM, og [Br2] stiger med 1,50 mM.
Hastighederne for to stoffer i samme reaktion forholder sig altid som koefficienterne i reaktionsskemaet. Man skal derfor altid skrive, hvilket stof en hastighed gælder for.
Sådan følger man en reaktion
For at måle en reaktionshastighed skal man kunne følge, hvor langt reaktionen er nået. Man vælger en egenskab, der ændrer sig undervejs.
| Det ændrer sig | Sådan måles det | Eksempel |
|---|---|---|
| farven | med øjet eller et spektrofotometer (afsnit B5.2) | der dannes gult brom |
| mængden af gas | gassen samles op i en sprøjte eller et måleglas | magnesium i syre danner hydrogen |
| massen | kolben står på en vægt, mens gassen slipper væk | kalk i syre danner carbondioxid |
| pH | med et pH-meter | en syre bliver brugt |
| klarheden | man ser, hvornår væsken bliver uklar | der dannes et bundfald |
Prøv selv: Reaktionshastighed: aflæs kurverne, og læg en tangent.