B1.1 Reaktionshastighed

NoteDet skal du kunne
  • forklare, hvad reaktionshastighed er, og hvilken enhed den har
  • beregne en gennemsnitshastighed ud fra en tabel eller en graf
  • finde hastigheden til et bestemt tidspunkt ved hjælp af en tangent
  • regne om mellem hastighederne for to stoffer i samme reaktion
  • give eksempler på, hvordan man kan følge en reaktion

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.

Figur 1: Opløsningen bliver mere gul, efterhånden som der dannes brom.

Koncentrationen som funktion af tiden

Måler man koncentrationerne undervejs, kan de tegnes ind i en graf med tiden på den vandrette akse.

Figur 2: Koncentrationen af reaktanten BrO3− falder, og koncentrationen af produktet Br2 stiger.
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:

\[ v = -\frac{\Delta[\text{reaktant}]}{\Delta t} \]

Figur 3: Gennemsnitshastigheden er hældningen på linjen gennem de to punkter på kurven.
NoteEksempel: gennemsnitshastigheden i det første minut

Hvad er gennemsnitshastigheden for BrO3− fra 0 s til 60 s?

Kendte størrelser

Ved 0 s er [BrO3−] = 1,00 mM, og ved 60 s er [BrO3−] = 0,50 mM.

Formel

\[ v = -\frac{\Delta[\mathrm{BrO_3^-}]}{\Delta t} \]

Beregning

Ændringen er slutværdien minus startværdien.

\[ \Delta[\mathrm{BrO_3^-}] = 0{,}50\ \mathrm{mM} - 1{,}00\ \mathrm{mM} = -0{,}50\ \mathrm{mM} = -0{,}00050\ \mathrm{M} \]

\[ v = -\frac{-0{,}00050\ \mathrm{M}}{60\ \mathrm{s}} = 8{,}3 \cdot 10^{-6}\ \dfrac{\mathrm{M}}{\mathrm{s}} \]

Konklusion

I det første minut er gennemsnitshastigheden 8,3 · 10−6 M/s.

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.

Figur 4: Tangentens hældning viser hastigheden i det punkt, hvor den rører kurven.

Sådan finder du hastigheden til et bestemt tidspunkt:

  1. Læg en lineal, så den rører kurven i punktet og følger kurvens retning.
  2. Tegn tangenten, og gør den lang.
  3. Aflæs to punkter på tangenten, som ligger langt fra hinanden.
  4. Beregn hældningen som forskellen i koncentration divideret med forskellen i tid.
  5. Hastigheden er hældningen uden fortegn.
NoteEksempel: hastigheden ved start

Tangenten i t = 0 s går gennem punkterne (0 s; 1,00 mM) og (86 s; 0,00 mM).

Beregning

\[ \text{hældning} = \frac{0{,}00\ \mathrm{mM} - 1{,}00\ \mathrm{mM}}{86\ \mathrm{s} - 0\ \mathrm{s}} = -0{,}0116\ \dfrac{\mathrm{mM}}{\mathrm{s}} = -1{,}16 \cdot 10^{-5}\ \dfrac{\mathrm{M}}{\mathrm{s}} \]

Konklusion

Hastigheden ved start er 1,2 · 10−5 M/s. Den kaldes starthastigheden og skrives v0.

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
NoteKort sagt
  • Reaktionshastigheden er ændringen i et stofs koncentration pr. tid. Enheden er M/s.
  • Gennemsnitshastigheden er ændringen i koncentration divideret med den tid, der er gået.
  • Hastigheden til et bestemt tidspunkt er hældningen på tangenten til kurven.
  • Hastigheden er størst i begyndelsen og falder, mens reaktionen forløber.
  • Hastighederne for to stoffer i samme reaktion forholder sig som koefficienterne.

Prøv selv: Reaktionshastighed: aflæs kurverne, og læg en tangent.