Chemie in druppels Hans Vanhoe Katrien Strubbe
Universiteit Gent SLO Chemie
7 Reactiekinetiek 7.1 Snelheid van chemische reacties Bij een chemische reactie worden bindingen gebroken en/of gevormd. De snelheid waarmee dit gebeurt is niet voor alle processen dezelfde: het roesten van een ijzeren fiets bijvoorbeeld is een zeer trage corrosiereactie, terwijl een ontploffing geassocieerd is met een zeer snelle reactie. De reactiesnelheid wordt gedefinieerd als de hoeveelheid reagens die per tijdseenheid wordt omgezet. Voor een gegeven reactie kan de reactiesnelheid worden beïnvloed door verschillende factoren. De invloed van deze factoren kan worden begrepen op basis van het botsingsmodel. Het botsingsmodel vertrekt van het principe dat een chemische reactie slechts kan doorgaan wanneer de reagerende deeltjes met elkaar in contact komen door botsing. Niet alle botsingen leiden echter tot de vorming van product, er moet voldaan zijn aan volgende voorwaarden: - de energie van de reagerende deeltjes moet voldoende groot zijn opdat bij botsing de activeringsenergie van de reactie wordt overwonnen, - de deeltjes moeten elkaar naderen in een oriëntatie die geschikt is om te kunnen reageren. Slechts onder deze omstandigheden is de botsing effectief. Wanneer de deeltjes bij een botsing niet reageren spreken we van een elastische botsing. Het aantal effectieve botsingen per tijdseenheid is dan gekoppeld aan de reactiesnelheid. Effectieve botsing:
Elastische botsing:
H
I
H
I
7.2 Factoren die de reactiesnelheid beïnvloeden 7.2.1 Concentratie Als de concentratie van de reagentia groter is, zijn er per volume-eenheid meer deeltjes aanwezig en stijgt dus de kans op botsen. Het absolute aantal botsingen zal toenemen, de fractie van de botsingen die leidt tot product blijft echter onveranderd.
7.2.2 Temperatuur Wanneer de temperatuur stijgt, neemt de gemiddelde kinetische energie van de reagentia toe. Hierdoor zullen meer botsingen doorgaan met een energie die voldoende is om de activeringsenergie van de reactie te overwinnen. Bij stijgende temperatuur zullen daarom zowel het aantal botsingen als de fractie effectieve botsingen toenemen.
7.2.3 Verdelingsgraad Deeltjes kunnen slechts reageren als ze bij elkaar komen. Hoe groter het contactoppervlak, hoe beter de interactie en hoe groter de reactiesnelheid. Een hogere verdelingsgraad zal de reactiesnelheid bevorderen.
alleen botsingen aan oppervlak
botsingen in volledige volume
7.2.4 Katalysator Een katalysator is een stof die de snelheid van een reactie beïnvloedt maar tijdens de reactie zelf niet verbruikt wordt. Na de reactie vind je de stof onveranderd terug in het reactievat. Een reactie kan zowel homogeen als heterogeen gekatalyseerd worden. In het eerste geval is de katalysator in een dezelfde fase dan het reactiemengsel, in het tweede geval vormen katalysator en reactiemengsel verschillende fasen. Veel gasreacties worden heterogeen gekatalyseerd. Een welbekend voorbeeld is de katalytische hydrogenering van alkenen tot verzadigde verbindingen. Een voorbeeld van homogene katalyse is katalyse door zuren en/of basen in oplossingen.
heterogene katalyse
De werking van een katalysator K berust hierop, dat de reactie in aanwezigheid van K doorgaat via een alternatieve route met een lagere activeringsenergie. Dit betekent dat meer effectieve botsingen optreden, en dus per tijdseenheid meer reagens wordt omgezet.
reagens
product
rechtstreeks -K
+K AK gekatalyseerd
Een katalysator kan ook een invloed uitoefenen op de oriëntatie van deeltjes en op deze manier de fractie effectieve botsingen verhogen.
7.3 Proeven 7.3.1 Factoren die de reactiesnelheid beïnvloeden Hypothesetoetsend Onderzoeksvaardigheden: - formuleren onderzoeksvraag - voorstellen hypothese - uitvoeren: nauwkeurig en zorgvuldig werken, observeren, analyse, besluit, rapporteren - reflectie: vergelijken resultaten en besluit met gestelde hypothese Situering: Het botsingsmodel gaat er van uit dat de reactiesnelheid wordt bepaald door het aantal effectieve botsingen (per tijdseenheid) tussen de reagerende deeltjes. Op basis van dit model kan je de invloed van verschillende factoren op de reactiesnelheid voorspellen. Opdracht: a. Magnesium reageert in zuur milieu met vorming van waterstofgas. Bedenk welke factoren de snelheid van deze reactie kunnen beïnvloeden. Voor elke factor: - stel je een onderzoeksvraag op, - formuleer je een hypothese - stel je een werkplan op dat vervolgens wordt uitgevoerd - vergelijk je het resultaat van je experiment met de vooropgestelde hypothese b. Zuren tasten sommige materialen aan, waaronder steensoorten (vooral de calciumhoudende, zoals kalksteen). Gebouwen worden aangetast door zure regen, doordat het zuur de steen oplost. In Vlaanderen zijn veel gebouwen vb: Sint-Baafskathedraal in Gent en Sint-Walburga (Oudenaarde) gebouwd met Balegemse steen welke zeer gevoelig is aan zure regen. Dankzij de invoering van rookgasontzwavelingsinstallaties bij elektriciteitscentrales en raffinaderijen, en de invoer van de driewegkatalysator bij personenauto’s is zure depositie sinds de jaren 80 van vorige eeuw sterk afgenomen (zie bijlage 11). In dit experiment ga je de invloed na van de concentratie zuur op de reactie met calciumcarbonaat. - formuleer een onderzoeksvraag - formuleer een hypothese - stel een werkplan op en voer het experiment uit - vergelijk je resultaat met je hypothese c. Oxaalzuur reageert met kaliumpermanganaat. In zuur milieu wordt het kleurloze Mn2+ gevormd. Ga na hoe de reactiesnelheid varieert met de temperatuur.
Beschikbaar materiaal: In druppelflesjes: 0,1 mol/L HCl (aq) 1 mol/L HCl (aq) 0,01 mol/L KMnO4 (aq) 1 mol/L H2SO4 (aq) 0,05 mol/L H2C2O4 (oxaalzuur) (aq) Magnesiumlint Magnesiumpoeder Stukje marmer/ schelpjes/ krijt Calciumcarbonaatpoeder, fijngestampte schelpjes/ fijngemaakt krijt Gedestilleerd water Plastiek mapje met inlegblad Beker met warm water Plastieken pipetjes Papier om af te ruimen.
Inlegblad reactiesnelheid
Mg lint
+ HCl-opl (1 mol/L) 3 druppels)
Mg lint
+ HCl-opl (0,1 mol/L) 3 druppels)
Mg lint
+ HCl-opl (1 mol/L) 3 druppels)
Mg poeder
+ HCl-opl (1 mol/L) 3 druppels)
Brokje marmer
+ HCl-opl (1 mol/L) 3 druppels)
Marmer poeder
+ HCl-opl (1 mol/L) 3 druppels)
0,02 mol/L KMnO4 -opl. + 1 mol/L H2SO4 -opl.
+ H2C2O4-opl (1 mol/L)
0 02 mol/L KMnO4 -opl. +1 mol/L H2SO4 -opl. + warmte
+ H2C2O4-opl (1 mol/L) + warmte
7.3.2. Katalyse met koperionen Hypothesetoetsend Onderzoeksvaardigheden: - formuleren onderzoeksvraag - voorstellen hypothese - uitvoeren: nauwkeurig en zorgvuldig werken, observeren, analyse, besluit, rapporteren - reflectie: vergelijken resultaten en besluit met gestelde hypothese Situering: Het koper(II)ion, Cu2+, kan een breed scala aan redoxreacties versnellen. in deze proef wordt het effect van Cu2+ionen nagegaan op de reactie van ijzer (III) ionen (Fe3+) met thiosulfaationen (S2O32-). Tijdens deze reactie ontstaan Fe2+ en tetrathionaationen (S4O62-). De reactie gaat gepaard met een kleurverandering, omdat Fe2+ ionen met S2O32- ionen een paars complex vormen. Opdracht: - formuleer een onderzoeksvraag - formuleer een hypothese - stel een werkplan op en voer je experiment uit - trek een besluit en vergelijk met de hypothese - schrijf een verslag, neem hierin een tabel op met je waarnemingen en antwoord op de volgende vragen: a) stel de reactievergelijking op voor de reactie tussen Fe2+ en S2O32-. b) waarom wordt in het eerste vakje een druppel gedestilleerd water toegevoegd? c) waarom is het niet waarschijnlijk dat Cu2+ een reagens is? Beschikbaar materiaal: In druppelflesjes: 1 mol/L FeCl3 (aq) 1,5 mol/L Na2S2O3 (aq) 0,01 mol/L CuSO4 (aq) Gedestilleerd water Plastiek mapje met inlegblad Roerstaafjes Papier om af te ruimen.
Inlegblad katalyse koperionen
FeCl3-oplossing
FeCl3-oplossing
Gedestilleerd water
CuSO4oplossing
Na2S2O3-oplossing
Na2S2O3-oplossing
Bijlage 1: Zure regen Zure regen ontstaat wanneer zwaveldioxide (SO2), stikstofoxiden (NOx), ammoniak (NH3) en vluchtige organische stoffen (VOS) oplossen in de regenwolken. Stikstofoxiden (NOx) is een verzamelnaam voor het giftige stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2). Ammoniak (NH3) en vluchtige organische stoffen (VOS) kunnen afkomstig zijn van de uitlaatgassen van auto's en van de verbranding van zwavelhoudende en stikstofhoudende brandstoffen zoals mazout, stookolie en benzine. Samen met water vormen zij daar zuren; zwavelzuur (H2SO4) en salpeterzuur (HNO3). Ook de intensieve veeteelt is een belangrijke uitstoter. Ammoniak vormt samen met zuurstof ook stikstofoxiden, die aanleiding kunnen geven tot vorming van salpeterzuur. Terminologie Zure regen is een verzamelnaam voor verschillende vormen van verzuring van het milieu (bijvoorbeeld verzuring van de bodem of de oceaan). Regen behoort enigszins zuur te zijn. Dit is een natuurlijk verschijnsel. Natuurlijke regen heeft een pH van ongeveer 6. Bij een pH beneden de 5 spreken we van zure regen. Veel bronnen van zure regen komen vanuit de natuur. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de grote hoeveelheden zwaveloxiden die worden uitgestoten bij vulkaanuitbarstingen. Gevolgen Grofweg kan men vijf plaatsen onderscheiden waar zure depositie zijn sporen nalaat. Water: Het zuur is er de oorzaak van dat grond- en oppervlaktewater een lagere pH-waarde krijgen, waardoor het ecosysteem van vijvers en meren verstoord kan worden. Dieren en planten kunnen sterven, inbegrepen de bomen, die nodig zijn voor vastlegging van koolstofdioxide en productie van zuurstof. Flora: Het zuur heeft op verschillende manieren een negatieve invloed op planten; de beschermlagen van een plant wordt aangetast. Het zuur tast bijvoorbeeld de huidmondjes en de beschermende waslaag van bladeren en naalden aan, waardoor een plant kan uitdrogen. Tevens kan het zuur in het blad doordringen en de voedingsstoffen uitspoelen, die de wortels niet op tijd kunnen aanvullen. Door deze processen gaan de bladeren en naalden verkleuren. De neerslag die langs de bomen afstroomt, tast de takken of stam aan waardoor deze gaan scheuren en schimmels vrij spel krijgen. Zure depositie in de bodem kan schade aan het wortelstelsel toebrengen, waardoor planten minder goed in staat zijn water en andere voedingsstoffen op te nemen. Bodem: Aanvankelijk zal een hoeveelheid zuur die aan de bodem wordt toegevoegd worden geneutraliseerd door een aanwezige natuurlijke buffer van kalk, mineralen en organisch materiaal (humus). Wanneer de grenswaarden van deze buffer worden overschreven, dan daalt de zuurgraad van de bodem en zullen door middel van chemische processen meer metalen (vooral aluminium) vrijkomen in de bodem die voor het gehele milieu van zowel planten, dieren als mensen schadelijk zijn (aluminiumtoxiciteit). Het evenwicht van de voedingsstoffen is verstoord. Er ontstaat een tekort aan calcium, fosfor, magnesium en kalium. Daarnaast zorgt een verzuurde bodem voor een vermindering van de biodiversiteit in en op de bodem. Mens: De schadelijke stoffen die in de lucht aanwezig zijn veroorzaken aandoeningen aan longen en luchtwegen. Ozon en stikstofoxiden gaan na inademing allerlei reacties aan met longweefsel.
Ammoniak in hoge concentraties kan onder andere benauwdheid, irritatie van ogen en hoofdpijn veroorzaken. Gebouwen: Zuren tasten sommige materialen aan, waaronder steensoorten (vooral de calciumhoudende, zoals kalksteen). Stenen lossen hierdoor op. Gebouwen worden aangetast door zure regen, doordat het zuur de steen oplost. In Vlaanderen zijn veel gebouwen vb: Sint-Baafskathedraal in Gent en Sint-Walburga (Oudenaarde) gebouwd met Balegemse steen welke zeer gevoelig is aan zure regen. Ook metalen gaan sneller roesten, verf en plastics hebben last van zure regen. Ook beelden, glas-in-loodramen worden hierdoor beschadigd. Zuren reageren met deze materialen. Ook kunnen de stenen barsten omdat calciumoxide (CaO) wordt omgezet in calciumsulfaat (CaSO4). Calciumsulfaat heeft een groter volume en doet daardoor de stenen barsten. Maatregelen Dankzij de invoering van rookgasontzwavelingsinstallaties bij elektriciteitscentrales en raffinaderijen zijn emissies van zwaveldioxide in Nederland met 89% gedaald sinds 1980. De invoer van de driewegkatalysator bij personenauto’s zorgde voor een emissiedaling van stikstofoxiden met 40%. Ook de emissie van ammoniak is afgenomen. Dankzij deze maatregelen is de zure regen in Nederland sterk afgenomen, en is de bodemverzuring sterk vertraagd. Ondanks alle maatregelen behoren Nederlandse emissieniveaus per km2 van bijvoorbeeld NOx toch nog tot de hoogste van Europa. bron: http://nl.wikipedia.org/wiki/Zure_regen#Gebouwen
