Hoofdstuk 7 §1 - §6

7.1 Energie-effecten

Energie kan niet verloren gaan. Het vrijkomen of opnemen van energie noem je het energie-effect.

Een reactie wordt endotherm genoemd als er in de reactie energie in de stoffen wordt opgeslagen.

Een reactie wordt exotherm genoemd als er in de reactie energie uit de stoffen vrijkomt.



7.2 Energiediagrammen

De eenheid van energie is de joule, J. Een joule is erg klein daar wordt er vaak kJ of 10^5 gebruikt.

Bij chemische reacties spreek je van de reactiewarmte. Dat is het verschil (∆E) tussen de chemische energie van de beginstoffen en die van de reactieproducten.

Bij ontleden wordt er energie opgeslagen, het is dus een endotherme reactie.

Bij het verbranden komt er energie vrij, het is dus een exotherme reactie.

Voor endotherme reacties geldt: ∆E > 0

Voor exotherme reacties geldt: ∆E < 0

 

7.3 Activeringsenergie

Soms verlopen reacties spontaan, maar er zijn ook reacties die eerst op gang gebracht moeten worden.

Bij een brandbare stof spreek je over ontbrandingstemperatuur. Zolang de temperatuur van de brandstof beneden de ontbrandingstemperatuur is, gaat de stof niet branden.

Om te kunnen reageren, moeten in de moleculen eerst 1 of meer bindingen worden verbroken. Dit kost energie: de activeringsenergie: Eact. Pas daarna kunnen nieuwe bindingen gevormd worden. Als daarbij meer energie vrijkomt, kan het proces van bindingen verbreken en opbouwen kan zichzelf in stand houden, en de reactie blijft doorgaan.

Dit geldt niet voor een endotherm proces. Daar moet voortdurend energie toegevoegd worden.

In de overgangstoestand ontstaan ionen of brokstukken van molecule, die zich later hergroeperen tot reactieproducten.

Voor de reactiewarmte kijk je naar het netto-effect: het verschil tussen de energie van de beginstoffen en de reactieproducten.

 

7.4 Reactiesnelheid.

De snelheid van een reactie hangt af van een aantal factoren. Om die verschillen te verklaren gebruik je het botsende deeltjes-model. Bij de reactie moeten moleculen eerst kapot gaan. De brokstukken, groepjes atomen of losse atomen, vormen weer nieuwe moleculen. Hoe sneller de brokstukken ontstaan hoe sneller de reactie zal zijn.

Slechts een deel van de botsingen leidt tot het verbreken van bindingen tussen atomen. Wanneer dit gebeurt zijn de botsingen effectief

Aantal factoren:

- Soort stof

- De invloed van de verdelingsgraad: een reactie verloopt sneller naarmate de stoffen beter met elkaar in contact kunnen komen. Bij een vaste stof spreek je over verdelingsgraad. De verdelingsgraad is hoger naarmate de stof fijner verdeeld is. Hoe hoger de verdelingsgraad is, hoe groter contactoppervlak en des te sneller verloopt reactie. Het is gemakkelijk te verklaren met botsende deeltjes model alleen aan de oppervlakte kunnen deeltjes botsen.

Wanneer je een reactie snel wilt laten verlopen, is een verdeling in losse deeltjes dus het beste, zoals in een oplossing of in de gasfase.

- De invloed van de concentratie: een metaal reageert sneller met een zure oplossing naarmate de concentratie van het zuur groter is. Een grotere concentratie betekend dat er per volume-eenheid meer deeltjes zijn. De kans dat ze botsen is dus groter en ook het aantal effectieve botsingen is groter.

- De invloed van de temperatuur: bij hogere temperaturen bewegen moleculen sneller. De botsingen zijn dus krachtiger en daarom ontstaan er per seconde meer brokstukken. En ook komen de deeltjes elkaar per seconde vaker tegen.


Als je reactiesnelheden wilt bepalen kun je meerdere methoden toepassen:

- Afname of toename van concentraties meten: je neemt monsters uit reactiemengsel en ‘bevriest’ deze via analysemethode en bepaalt de concentratie (duurt lang).

- Tijdens reactie waarbij gassen ontstaan of verdwijnen de verandering gasdruk meten (bij constant volume)

- Bij reacties met gassen kun je verandering volume meten (bij constante druk)

- Als geladen deeltjes zijn betrokken kun je verandering in geleidbaarheid van reactiemengsel meten. Bijv. bij neerslagreacties.

- Bij ontstaan of verdwijnen van gekleurde deeltjes kun je veranderende kleurintensiteit van reactiemengsel meten.


De reactiesnelheid wordt bepaald door de langzame stap. Je noemt dit de snelheidsbepalende stap.

Wanneer in een reactie de snelheidsbepalende stap pA + qB -> C

dan is de vergelijking voor de reactiesnelheid: s = k x [A]^p x [B]^q, orde is gelijk aan p + q.

Bv.

Reactie NO + N2O5 -> 3NO2 is in 2 stappen:

N2O5 -> NO2 + NO3 = langzaam

NO + NO3 -> 2 NO2 = snel, de reactie is van de 1e orde, want er reageert in de langzame stap maar 1 molecuul.

s = k x [N2O5]

7.5 De katalysator

De katalysator is een stof die een chemische reactie versnelt. Een katalysator maakt reacties mogelijk die niet, of te langzaam, zouden verlopen. De katalysator is een stof die wel deelneemt aan de reactie, maar waarvan na de reactie nog net zoveel aanwezig is als ervoor.


In een motor van een auto vinden verbrandingsreacties plaats, hierbij reageren koolwaterstoffen met zuurstof uit de lucht. Hierbij ontstaan CO2, H2O, N2 en O2 en dan nog de schadelijke stoffen:

- Koolstofmonooxide; CO

- Onverbrande koolwaterstoffen; CxHy

- Diverse stikstofoxiden; NOx, ontstaan door hoge temperatuur in motor uit stikstof en zuurstof.


In een auto met katalysator zorgt de katalysator ervoor dat CO, NOx, CxHy alsnog worden omgezet in stikstof, koolstofdioxide en waterdamp.


Een katalysator verlaagt de activeringsenergie. Een enzym is een katalysator die een biochemische reactie versnelt.