Reaktionopeus

KE6: Kemiallinen tasapaino 1/4

1. Mitkä seuraavista ehdoista ovat välttämättömiä reaktion tapahtumiseksi?

A) Reaktioon täytyy osallistua useampi kuin yksi lähtöaine.

B) Reaktion lähtöaineiden täytyy olla samassa faasissa.

C) Reaktion pitää olla eksoterminen.

D) Reaktiossa täytyy tapahtua kemiallisten sidosten muutoksia.

2. Mitkä seuraavista voivat olla nopeuden yksiköitä?

A) kJ/mol

B) m/s

C) Sv/m

D) \(\mathrm{dm^3}\)/min

3. Metallin ruostumista voidaan hidastaa

A) karhentamalla metallin pintaa niin, että sen pinta-ala kasvaa.

B) päällystämällä metalli esimerkiksi maalikerroksella.

C) säilyttämällä metallia kosteassa ja suolaisessa ympäristössä.

D) lisäämällä raudan joukkoon esimerkiksi kromia.

Alkulämmittelyä

Arvioitavat työt:

🧪Ryhmätehtävä 1: Reaktionopeuden määrittäminen
Palautettava tehtävä 1: Reaktionopeus

Reaktio-nopeuteen vaikuttavat tekijät

Keskeiset asiat:

kemiallisen reaktion nopeus
törmäysteoria
reaktion mekanismi
katalyytti

Sidos 6: Luku 1

Pexels

Reaktioiden nopeuksissa on suuria eroja!
Reaktion nopeutta voidaan nopeuttaa tai hidastaa

Kemiallisen reaktion nopeus

pinta-ala

lämpötila

konsentraatio/paine

reagoivat aineet

katalyytti

Reaktionopeuteen vaikuttavat tekijät

Törmäysteoria

Jotta kemiallinen reaktio voi tapahtua, reagoivien aineiden on törmättävä

oikeasta suunnasta
riittävällä suurella nopeudella

Siirtymätila

Kun rakenneosat törmäävät toisiinsa ja törmäys johtaa kemialliseen reaktioon, syntyy siirtymätila

uusi sidos muodostumassa

vanha sidos katkeamassa

Siirtymätila

pysymätön: hajoaa joko tuotteeksi tai lähtöaineeksi
ei voida havaita kokeellisesti
energiamaksimi

Aktivoitumisenergia

= reaktioon vaadittava energia

Reaktion eteneminen

reaktiossa voi olla useita siirtymätiloja ja välivaiheita

Välivaihe vai välituote?

välituotteen voi eristää
välivaihe lyhytikäinen

Katalyytti

nopeuttaa reaktiota alentamalla aktivoitumisenergiaa
reaktio etenee eri mekanismilla kuin ilman katalyyttiä
katalysoidussa reaktiossa voi olla enemmän välivaiheita
ei kulu reaktiossa!

Esimerkkejä katalyyteistä

vahvat hapot
lipaasientsyymit
jalometallit

\mathrm{2\ H_2O_2(aq)\rightarrow2\ H_2O(l)+O_2(g)}

Vetyperoksidin hajoaminen

\mathrm{(1)\ H_2O_2(aq)+I^-(aq)\rightarrow H_2O(l)+OI^-(aq)}

\mathrm{(2)\ H_2O_2(aq)+OI^-(aq)\rightarrow H_2O(l)+O_2(g)}

välituote, hypojodiittiioni \(\mathrm{OI^-}\)

\mathrm{2\ H_2O_2(aq)\underrightarrow{\ ^{I^-(aq)\ }}2\ H_2O(l)+O_2(g)}

Inhibiittori

hidastavat reaktiota
eivät kulu reaktiossa
tavallisesti vaikuttavat suoraan katalyyteihin
esim. sitruunahapon ja viinihapon säilöntäaineena toimiminen perustuu siihen, että ne estävät entsyymien toimintaa ja hillitsevät homeiden ja bakteerien kasvua
lääkeaineet ja myrkyt inhibiittoreita, jotka sitoutuvat entsyymeihin ja estävät niiden toimintaa

Perustele törmäysteorian avulla, miksi kemiallinen reaktio nopeutuu, kun

Törmäysteorian soveltaminen

lähtöaineiden konsentraatio kasvaa

reaktioseoksen lämpötila kasvaa

reaktiossa käytetään siihen sopivaa katalyyttiä

kiinteästä aineesta tehdään hienojakoisempaa

useassa faasissa olevaa reaktioseosta sekoitetaan

Osaatko?

Mikä yhteys on törmäysteorialla ja reaktionopeudella?
Mitkä tekijät vaikuttavat reaktion nopeuteen?
Mikä on katalyytti ja miten se toimii?
Miten tulkitaan energiakaavioita?

Reaktio-nopeuden määrittäminen

Keskeiset asiat:

reaktion keskimääräinen nopeus
reaktion hetkellinen nopeus

Sidos 6: Luku 2

Reaktionopeutta voidaan mitata konsentraation muutoksena

Reaktionopeus

Kumpi käyristä kuvaa syklopropaania ja kumpi propeenia?

Miksi molempien käyrien muoto muuttuu alussa jyrkästi?

Mitä tapahtuu noin 2,5 sekunnin kohdalla?

Huom! Reaktionopeuskäyrä ei ole aina samanlainen!

Reaktio ei välttämättä ole nopein alussa.
Lähtöaineen määrää kuvaava käyrä ei välttämättä mene nollaan.

Reaktionopeus

Aineen määrän muutosta aikayksikössä

g/s

Yhdistä kuvaajaan sopiva reaktionopeuden yksikkö.

\mathrm{\frac{mol}{l\cdot s}}

l/min

mol/s

v=\frac{\Delta V}{\Delta t}

v=\frac{\Delta m}{\Delta t}

v=\frac{\Delta c}{\Delta t}

v=\frac{\Delta n}{\Delta t}

Miten reaktionopeus määritetään?

Reaktionopeus

Reaktionopeudella tarkoitetaan reaktioon osallistuvien aineiden määrien muutosta aikayksikössä.
Reaktionopeuden yksikkö riippuu mitattavasta suureesta. Yksikkö on mitatun suureen yksikkö jaettuna ajan yksiköllä.
Reaktionopeus on
- positiivinen, jos aineen määrä kasvaa reaktion aikana
- negatiivinen, jos aineen määrä vähenee reaktion aikana

v=\frac{\Delta c}{\Delta t}

yleensä tarkastellaan konsentraation muutosta

yksikkö

\mathrm{\frac{mol/l}{s}}

Keskimääräinen reaktionopeus

v=\frac{\Delta m}{\Delta t}=\frac{\mathrm{90\ g-95\ g}}{\mathrm{30\ s-10\ s}}=-0{,}25\ \mathrm{g/s}

Erilaisia reaktionopeuksia

Alkunopeus

hetkellinen muutosnopeus ajanhetkellä t=0

Reaktion hetkellinen muutosnopeus

haluttuun kohtaan piirretyn tangentin kulmakerroin

Esimerkki

Syklopropaanin hajoamista tutkittiin mittaamalla sen konsentraatiota eri ajan hetkillä. Mittaustulokset on koottu Classroomista löytyvään tiedostoon.

Laadi mittauspisteistä reaktionopeuskuvaaja, joka osoittaa, miten syklopropaani muuttuu reaktion edetessä.

a) Määritä kuvaajan avulla, mikä on hetkellinen reaktionopeus hetkellä t=30 min .

b) Määritä reaktion keskimääräinen nopeus mittauksen ajalta.

c) Määritä reaktion alkunopeus.

💻 Ohjeet

RATKAISU:

a) Piirretään reaktiolle reaktionopeuskäyrä. Määritetään hetkellinen nopeus kohdassa t = 30 min.

Vastaus: Reaktion hetkellinen nopeus hetkellä t = 30 min on noin \(-0{,}019\ \mathrm{\frac{mol/l}{min}}\).

RATKAISU:

b) Määritetään reaktion keskimääräinen nopeus mittauksen ajalta.

TAPA 1: Graafisesti

Vastaus: Reaktion keskimääräinen nopeus mittauksen aikana oli noin \(-0{,}023\ \mathrm{\frac{mol/l}{min}}\).

TAPA 2: Laskemalla

RATKAISU:

b) Määritetään reaktion keskimääräinen nopeus mittauksen ajalta.

v=\frac{\Delta c}{\Delta t}

=\frac{0{,}14\ \mathrm{mol/l}-1{,}5\ \mathrm{mol/l}}{60\ \mathrm{min}-0\ \mathrm{min}}

=-0{,}02266...\ \mathrm{\frac{mol/l}{min}}

\approx-0{,}023\ \mathrm{\frac{mol/l}{min}}

Vastaus: Reaktion keskimääräinen nopeus mittauksen aikana oli noin \(-0{,}023\ \mathrm{\frac{mol/l}{min}}\).

RATKAISU:

c) Määritetään reaktion alkunopeus piirtämällä tangentti kohtaan t = 0 min.

Vastaus: Reaktion alkunopeus oli noin \(-0{,}055\ \mathrm{\frac{mol/l}{min}}\).

Osaatko?

Miten reaktionopeus määritellään ? Miten olosuhteet vaikuttavat reaktion nopeuteen?
Miten reaktion keskinopeus lasketaan? Miten se määritetään kuvaajalta?
Miten laaditaan reaktionopeuskuvaaja? Miten määritetään kuvaajan avulla reaktion hetkellinen nopeus?
Miten reaktionopeutta voidaan mitata?

💻Reaktionopeuden määrittäminen kuvaajalta

Ohjelmisto-ohje: GeoGebra 6

Reaktionopeuskäyrän piirtäminen:

Maalaa aineisto ilman otsikkoja ja valitse Kahden muuttujan regressioanalyysi.

Kokeile, millainen regressiomalli pistejoukkoon sopii parhaiten. Joskus pitää kokeilla useita malleja ja valita "huonoista paras".

💻 (1)

Reaktionopeuskäyrän piirtäminen:

Kun sopiva malli on löytynyt, vie kuvaaja piirtoalueelle.

💻 (2)

Skaalaa akselit niin, että kuvaaja näyttää järkevältä.

Nimeä akselit suureita vastaavasti. Muista yksiköt! (Tässä tiedostossa ne oli nimetty jo valmiiksi.)

Nimeäminen onnistuu joko piirtoalueen asetuksista tai Lisää teksti -työkalulla.

aika

min

Reaktionopeuskäyrän piirtäminen:

💻 (3)

Huom! Reaktionopeuskäyrät piirrettiin aiemmin käsin.

Ei siis välttämättä ole olemassa yhtä oikeaa mallia, vaan sopivalta näyttävä malli kelpaa!
Rajaus täytyy tehdä hyvin.
Sovitettua funktiota ei tarvitse kemian ratkaisussa kertoa, toisin kuin matikassa.

Kun kuvaaja on valmis, rajaa ikkuna sopivaksi ja tallenna kuva.