Samenvatting H5, reacties in beweging

5.1 Reactiewarmte meten

Het energie-effect of delta E is de hoeveelheid energie die bij een reactie vrijkomt of wordt opgenomen. Bij een positieve E is de reactie endotherm anders exotherm.

De wet van behoud van energie is een belangrijke wet in de natuurwetenschappen. Deze wet houdt in dat de totale hoeveelheid energie tijdens een reactie constant blijft maar dat energieomzettingen wel kunnen plaatsvinden. Over het algemeen vormt tijdens een chemische reactie alleen warmte. In het chemische rekenen zijn de standaard omstandigheden ook wel (T = 298 K en p = p0)                                                                                    Deze wet geld voor alle reacties

De reactiewarmte (meestal hetzelfde als delta E) heeft als eenheid joule per mol (J mol-1). Over het algemeen bepaalt men de reactiewarmte met een warmtemeter. Als een reactie plaatsvindt in een bepaalde hoeveelheid water dat wordt de reactiewarmte opgenomen door of afgestaan aan het water. De overgedragen warmte Q is de hoeveelheid warmte die wordt opgenomen of afgestaan in joule (J), hiervoor gebruik je deze formule:

Q = c x m x delta T

Q = hoeveel warmte wordt opgenomen of afgestaan in joule (J)

C = de soortelijke warmte in joule per kilogram per Kelvin (J Kg-1 K-1)

M = de massa van het water (de oplossing) in Kg

Delta T = Teind – Tbegin oftewel de temperatuurverandering in Kelvin (K)

De soortelijke warmte is de hoeveelheid joule nodig om 1 Kg stof 1 graden in temperatuur te laten stijgen

Hieropvolgend kan de reactiewarmte worden berekend door 

Delta E = -Q : n

In de Binas tabellen 8 t/m 12 vind je de soortelijke warmte van een hoop stoffen

Het rendement is het percentage nuttig gebruikte energie, dit is de formule:

Rendement n = (Enut : Etot) x 100%

Enut = de hoeveelheid nuttig gebruikte energie

Etot = de totale hoeveelheid geleverde energie

In theorie is een rendement van 100% niet haalbaar

Molair rendement = (Enut atomen : Etot atomen) x 100%

Zie Binas tabel 28B voor energie fossiele brandstoffen

5.2 reactiewarmte berekenen

De vormingswarmte (Ev) is de hoeveelheid warmte die vrijkomt of nodig (exo of endotherm) is voor de vorming van 1 mol stof uit niet-ontleedbare stoffen (elementen). De vormingswarmte van een element is altijd 0. Zie Binas tabel 57A en 57B voor vormingswarmten van stoffen.

De reactiewarmte is berekenbaar d.m.v de vormingswarmte want:

Delta E = Ev reactieproducten – Ev beginstoffen

Normaal ga je uit van deze reactievergelijking: 

m A + n B ---> q C + r D

Vergeet niet de vormingswarmte van A te vermenigvuldigen met m (coëfficiënt). Je kan deze vergelijking ook in een energiediagram zetten.

De verbrandingswarmte van een verbrandingsreactie is gelijk aan de reactiewarmte. In Binas tabel 56 staan verbrandingswarmtes van stoffen onder de standaardomstandigheden. Bij verbrandingsreacties kun je dus tabel 56 gebruiken.

5.3 reactiesnelheid

 Bij het bepalen van de gemiddelde reactiesnelheid mag het niet uitmaken welke stof in de reactie je ervoor gebruikt. Zo bereken je de gemiddelde reactiesnelheid:                                     Ga uit van deze vergelijking: m A + n B ---> q C + r D

S = - 1/m x delta A : delta t = 1/q x delta C : delta t

Hierin is:

S de gemiddelde reactiesnelheid in mol L-1  s-1 

Delta A is de afname van de concentratie van de beginstof.                                                        Delta C is de toename van de concentratie van het reactieproduct.

m en q zijn de coëfficiënten van de gebruikte stoffen

Delta t is de periode in seconden waarover de toe/afname is gemeten

Denk tijdens het berekenen van de gem. Reactiesnelheid aan deze 2 regels:

-De berekende reactiesnelheid moet je delen door de coëfficiënt van de betreffende stof. 

-Als je een in hoeveelheid afnemende stof gebruikt voor de reactiesnelheid moet je het eindproduct keer –1 doen.

Het concentratieverloop van de deelnemende stoffen kan in een tijd-concentratiediagram geschetst worden:

 -afbeelding niet ondersteund

Let bij het tekenen van deze diagrammen op welke stof in de overmaat is, deze blijft namelijk nog steeds bestaan aan het eind van de reactie. 

Een katalysator is een stof die ervoor zorgt dat een bepaalde reactie sneller verloopt. Een katalysator wordt zelf niet verbruikt tijdens een reactie en staat ook niet in de reactievergelijking. Feitelijk is een katalysator in staat de activeringsenergie te verlagen. Je hebt homogene en heterogene katalysators, een homogene katalysator zit in dezelfde fase als de beginstoffen. Een heterogene katalysator bevindt zich in een andere fase dan de beginstoffen.

5.4 beïnvloeding reactiesnelheid

Er zijn 4 factoren die de reactiesnelheid kunnen beïnvloeden:

-De katalysator

Wel of niet? Welk soort?

-De temperatuur

Des te hoger de temperatuur des te hoger de reactiesnelheid

-De concentratie beginstoffen

Des te hoger de concentratie, des te sneller de reactie verloopt

-De verdelingsgraad van de beginstoffen

Des te fijner de verdeling, des te sneller de reactie verloopt

De invloed van de laatste 3 factoren kan op microniveau worden verklaard met het botsende-deeltjesmodel.

Bij kamertemperatuur zijn de moleculen voortdurend in beweging en botsen ze constant met elkaar. Als verschillende moleculen met elkaar botsen vinden er reacties plaats. Een botsing die tot een chemische reactie lijdt is effectieve botsing. Des te meer effectieve botsingen er per seconde plaatsvinden, des te hoger de reactiesnelheid. Effectieve botsing:

 -afbeelding niet ondersteund

Het middelste plaatje is de geactiveerde toestand, niet alle botsingen zijn effectieve botsingen, alleen bij een verandering in de moleculen is een botsing effectief geweest.

Temperatuur

Als de temperatuur stijgt dan gaan de deeltjes heftiger bewegen waardoor ze harder en ook vaker met elkaar botsen.

Gemiddeld wordt bij een stijging van 10*K de reactiesnelheid 2x zo hoog.

Concentratie

Gasmengsels en oplossingen worden homogene mengsels genoemd, op microniveau kunnen alle deeltjes in deze mengsels los van elkaar bewegen. Van elke stof in een homogeen mengsel kun je de concentratie in mol/L bepalen. Hoe meer deeltjes in een bepaald volume, des te vaker ze effectief zullen botsen des te hoger de reactiesnelheid.

Verdelingsgraad

Als deeltjes zich in verschillende fasen bevinden en min of meer gemend zijn dan spreek je van een heterogeen mengsel. De mate waarin de stoffen verdeeld zijn heet de verdelingsgraad. Hoe hoger de verdelingsgraad van een heterogeen mengsel, hoe groter het contactoppervlak tussen de stoffen. Hoe hoger het contactoppervlak, hoe vaker deeltjes met elkaar kunnen botsen en dus hoe hoger de reactiesnelheid.