Felidéző gyakorlás
Azonos tömegű cinkpor és cinkdarab ugyanazzal a sósavoldattal reagál. Melyik esetben vársz nagyobb kezdeti reakciósebességet?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Mit nevezünk reakciósebességnek?
Egy reakció gyorsaságát a reagensek fogyásának vagy a termékek keletkezésének időbeli üteme mutatja. Rozsdásodáskor a változás lassú, égéskor gyors. Oldatreakcióban a koncentráció időbeli változásával, gázfejlődésnél a keletkezett gáz térfogatának időbeli változásával is követhetjük a folyamatot. A vizsgán gyakran grafikonból, buborékképződésből, színváltozásból vagy a reakció végéig eltelt időből kell következtetni.
Az átlagsebesség egy megadott időszakaszhoz tartozik. Ha a koncentráció–idő görbe meredekségének abszolút értéke csökken, a folyamat lassul; ha egy reakció korábban éri el ugyanazt a végső gázmennyiséget, az a megfigyelés gyorsabb lefolyásra utalhat. A végső termékmennyiség és az odáig vezető sebesség két külön adat.
Átlagos koncentrációváltozási sebesség
reagensre: vátl = −Δc/Δt
termékre: vátl = +Δc/Δt
A mínuszjel a fogyó reagensnél pozitív sebességértéket ad. Különböző komponensek sebességének összehasonlításakor a sztöchiometriai együtthatót is figyelembe kell venni.
Kidolgozott példa: átlagos reakciósebesség
- Feladat: Egy reagens koncentrációja 10,0 s alatt 0,80-ról 0,50 moldm3-re csökken. Mennyi a fogyásának átlagos sebessége?
- A koncentrációváltozás 0,50 − 0,80 = −0,30 moldm3. Az időváltozás +10,0 s.
- A reagens fogyására v = −Δc/Δt = −(−0,30)10,0 = 0,030 mol(dm3·s). Az előjel azért pozitív, mert a fogyás nagyságát adjuk meg.
Miért függ a sebesség a körülményektől?
Részecskemodellben a reakcióhoz a megfelelő részecskéknek találkozniuk kell, de nem minden ütközés hatásos. A részecskéknek elegendő energiával és megfelelő térbeli elrendezésben kell ütközniük. Az aktiválási energia a reakcióúton leküzdendő energiagáthoz kapcsolódik.
Nagyobb koncentrációjú homogén elegyben adott térfogatban több reagensrészecske van, így általában több lehetséges ütközés történik időegység alatt. Magasabb hőmérsékleten nem pusztán „gyorsabban mozognak” a részecskék: a kellően nagy energiájú ütközések aránya is nő, ezért sok reakció jelentősen gyorsul.
Az ütközési energiák és a hőmérséklet szemléltető modellje
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Alacsonyabb hőmérséklet | A példában 5 energiaszempontból megfelelő ütközés 100 közül |
| Magasabb hőmérséklet | A példában 25 energiaszempontból megfelelő ütközés 100 közül |
| Mit hasonlítunk? | Az elegendő energiájú ütközések arányát, nem a 100 ütközéshez szükséges időt |
A sebességet befolyásoló tényezők kísérletben
- Koncentráció: homogén reakcióban az egyik reagens koncentrációját változtatva, a többi feltételt azonosan tartva vizsgálhatod a hatást.
- Hőmérséklet: két azonos összetételű rendszert különböző hőmérsékleten hasonlíts össze. A magasabb hőmérséklet általában gyorsít.
- Felület: szilárd reagens porítása megnöveli a hozzáférhető érintkezési felületet. Ez heterogén reakciónál fontos.
- Katalizátor: azonos körülmények között a katalizált rendszer gyorsabban haladhat, miközben a katalizátor a teljes folyamat végén visszanyerhető.
Egy összehasonlítás akkor értelmezhető, ha egyszerre csak egy vizsgált változót módosítasz. Például por és darab összevetésénél a cink tömege, a sav koncentrációja, térfogata és a hőmérséklet legyen azonos.
Katalízis és energiadiagram
A katalizátor alternatív reakcióutat tesz lehetővé kisebb aktiválási energiával. A katalizátor a folyamat részlépéseiben részt vehet, de a teljes reakció végén visszanyerhető. Nem szolgáltat „plusz energiát” a terméknek, és nem változtatja meg a reagensek és termékek közötti reakcióhőt.
Az energiadiagramon a kezdeti és végső energiaszint katalizátorral és nélküle ugyanaz; a szemléltető, egycsúcsú ábrán a katalizált út csúcsa alacsonyabb; valódi, többlépéses mechanizmusnak több átmeneti állapota is lehet. Ha a reakció megfordítható, a katalizátor mindkét irányt gyorsítja, és az egyensúly hamarabb áll be, de az egyensúlyi összetétel nem változik.
A katalizátor hatása a reakció energiaprofiljára
A katalizátor és a reakcióhő
ΔrH = Etermékek − Ereagensek
Ea,katalizált < Ea,nem katalizált
A két reakcióút kezdő- és végállapota azonos, ezért ΔrH változatlan.
Kidolgozott példa: reakcióhő és katalizátor
- Feladat: Egy energiaábrán a kiindulási anyagok szintje 80 kJmol, a termékeké 20 kJmol, a katalizátor nélküli csúcsé 140 kJmol. Mennyi a reakcióhő és az előre irányú aktiválási energia?
- A reakcióhő a vég- és kezdőszint különbsége: 20 − 80 = −60 kJmol; a reakció exoterm.
- Az aktiválási energia 140 − 80 = 60 kJmol. A katalizátor ezt a gátat csökkenti, de a −60 kJmol reakcióhőt nem módosítja.
Görbék és mérési adatok értelmezése
Gázfejlődésnél a gáz térfogata rendszerint nő, majd a reakció végén platót ér el. A meredekebb kezdő szakasz nagyobb kezdeti gázképződési ütemet jelent. Ha a két kísérletben azonos mennyiségű, teljesen elfogyó reagens van, a végső gáztérfogat azonos lehet akkor is, ha a porral végzett kísérlet sokkal gyorsabb.
Időadatot csak azonos elérendő állapot mellett hasonlíts össze. Például „mennyi idő kell 0,040 dm3 gázhoz?” jó sebességi összehasonlítás, ha a többi feltétel azonos; a teljes reakcióidő eltérhet, ha eltér a rendelkezésre álló anyagmennyiség.
Két reakció gáztérfogat–idő grafikonja
Adattáblázat megtekintése
| Idős | A: darab, Vdm3 | B: por, Vdm3 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 15 | 0,035 | 0,060 |
| 30 | 0,060 | 0,090 |
| 60 | 0,087 | 0,100 |
| 90 | 0,098 | 0,100 |
| 120 | 0,100 | 0,100 |
Kidolgozott példa: a grafikon első 30 másodperce
Feladat: A diagramon A esetén 30 s alatt 0,060 dm3, B esetén 0,090 dm3 CO2 keletkezik.
Hasonlítsd össze az átlagos gázképződési ütemeket!
A üteme ΔV/Δt = 0,06030 = 0,0020 dm3s;
B üteme 0,09030 = 0,0030 dm3s.
B átlagos üteme az első 30 s-ban 0,00300,0020 = 1,5-szeres.
Ez a 0–30 s-os időszakasz átlaga.
Nem állítja, hogy a pillanatnyi sebesség minden pillanatban 1,5-szeres.
A pontok közötti és a kezdeti meredekség más-más sebességi információt ad.
A végső gáztérfogat mindkét esetben 0,100 dm3.
Az összevetéshez a gáz hőmérséklete és nyomása azonos;
eltérő gáztérfogat különben pusztán eltérő mérési körülményekből is adódhat.
Felidéző gyakorlás
Katalizátor hozzáadása után melyik mennyiség marad változatlan azonos kiindulási és végállapot esetén?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Középszinten ezt gyakorold
- Rendezd a reakciókat sebességük szerint, és kapcsolj hozzá megfigyelhető változást.
- Elemezz egyszerű kísérletet úgy, hogy a változtatott és a rögzített körülményeket megnevezed.
- Magyarázd a koncentráció és hőmérséklet hatását az ütközések segítségével.
- Rajzolj energiadiagramot katalizátorral és nélküle, azonos kezdő és végső energiaszinttel.
Középszintű érettségi követelmények
Az Oktatási Hivatal részletes kémiaérettségi-követelményei
1.5.2 Reakciókinetika
A reakciók sebesség szerinti csoportosítása; homogén reakcióknál a koncentráció, általában a hőmérséklet hatása; egyszerű sebességi és katalíziskísérletek értelmezése; a katalizátor fogalma, hatása és a katalizált, illetve nem katalizált út energiadiagramja.
Önellenőrzés
- Egy kísérletből megnevezem az egyetlen változtatott tényezőt és a mért sebességi jelet.
- A nagyobb koncentráció és hőmérséklet hatását pontos, részecskeszintű okkal indoklom.
- A katalizált energiadiagramon ugyanott jelölöm a kezdő és végső állapotot.
- Emelt szinten a megadott sebességi egyenlet kitevőivel számolok; nem a sztöchiometriai együtthatókkal.
Középszintű érettségi mintafeladat · 10 pont
Két kísérletben azonos tömegű és tisztaságú CaCO3 reagál azonos térfogatú, azonos koncentrációjú sósavval ugyanazon a hőmérsékleten.
Az A kísérletben nagy darabok, a B kísérletben finom por szerepel.
A sav mindkét esetben elegendő a teljes reakcióhoz.
Az A kísérletben 30 s alatt 0,060 dm3, a B kísérletben ugyanennyi idő alatt 0,090 dm3 CO2 keletkezik.
- Melyik kísérlet gyorsabb a megadott időszakban, és mi a részecskeszintű oka? (3 pont)
- Mekkora az A kísérlet átlagos gázképződési üteme az első 30 s-ban? (2 pont)
- Azonos lesz-e a reakció végén a keletkezett CO2 anyagmennyisége?
Indokold. (2 pont) - Rajzold le vagy írd körül a katalizált és nem katalizált reakció energiadiagramjának két alapvető különbségét, illetve azonosságát. (3 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
- Melyik kísérlet gyorsabb a megadott időszakban, és mi a részecskeszintű oka? (3 pont)A B kísérlet gyorsabb a 30 s-os szakaszban (1 pont);
a por nagyobb hozzáférhető felületet ad (1 pont), így több megfelelő felületi ütközés történhet időegység alatt (1 pont). - Mekkora az A kísérlet átlagos gázképződési üteme az első 30 s-ban? (2 pont)Az átlagos ütem ΔV/Δt (1 pont) = 0,060 dm330 s = 0,0020 dm3s (1 pont).
- Azonos lesz-e a reakció végén a keletkezett CO2 anyagmennyisége? Indokold. (2 pont)Igen, a végső CO2-anyagmennyiség azonos (1 pont), mert a CaCO3 azonos mennyiségű, és a sav mindkét esetben elegendő a teljes reakcióhoz (1 pont).
- Rajzold le vagy írd körül a katalizált és nem katalizált reakció energiadiagramjának két alapvető különbségét, illetve azonosságát. (3 pont)A katalizált út alacsonyabb aktiválási energiájú csúcsot mutat (1 pont);
a kezdő és végső energiaszint mindkét úton azonos (1 pont), így a reakcióhő is azonos (1 pont).
Összesen: 10 pont. Rajz és szöveges leírás egyaránt elfogadható, ha a három energiaviszony egyértelmű.