Reaktionopeus

Tämä artikkeli kertoo kemiallisesta reaktiosta. Ihmisen reagoimisen nopeudesta kertoo artikkeli reaktioaika.

Kemiallisen reaktion reaktionopeus kuvaa, kuinka paljon lähtöainetta kuluu tai kuinka paljon reaktion lopputuotetta syntyy ajanyksikköä kohti. Reaktionopeuksia tutkittaessa verrataan yleensä konsentraatioiden muutosta ajanyksikköä kohti.[1]

Reaktionopeuksia ei voida päätellä reaktioyhtälön kertoimista. Esimerkiksi raudan ruostuminen on reaktio, jolla on matala reaktionopeus ja hiilen palaminen on taas reaktio, jolla on korkea reaktionopeus.

Reaktionopeus on osa kemiallista kinetiikkaa. Kemiallinen kinetiikka on kemian osa-alue, joka pyrkii mittaamaan kemialliseen reaktioon osallistuvien aineiden konsentraatioiden muutosnopeuksia ja ymmärtämään tämän tiedon avulla reaktiomekanismeja.[2]

Reaktiokinetiikka ja erityisesti sen osa-alue reaktionopeudet on kiinteä osa monia kemiaa hyödyntäviä aloja esim: kemiantekniikkaa[3] ja ympäristötekniikkaa.[4][5] [6] Reaktionopeuksien tutkiminen on kemiallisen kinetiikan tutkimusta makroskooppisella tasolla.

MääritelmäMuokkaa

Yleiselle kemialliselle reaktiolle:[7]

 

Reaktioyhtälössä pienet kirjaimet edustavat reaktion stoikiometrisia kertoimia.

Kirjaimet A ja B edustavat lähtöaineita ja kirjaimet G ja H edustavat lopputuotteita. IUPAC:in Kultakirja (Golden book) määrittelee[8] reaktionopeuden suljetussa, tilavuudeltaan vakiossa systeemissä, yhdelle reaktiolle, jossa reaktiiviset välivaiheet voidaan jättää huomioimatta: [7]

Reaktionopeus =  

Kaava määrittelee, että reaktionopeus on yhden lopputuotteen konsentraation derivaatta ajan suhteen jaettuna tämän aineen stoikiometrisellä kertoimella. Lähtöaineiden konsentraatioita hyödyntävien laskukaavojen eteen tulee miinus-merkki, koska etenevän reaktion reaktionopeus on aina positiivinen ja lähtöaineiden konsentraatio pienenee reaktion edetessä. IUPAC suosittelee, että laskettaessa reaktionopeuksia käytettäisiin aina ajanyksikkönä sekuntia.[8]

Reaktionopeuteen vaikuttavat tekijätMuokkaa

Jotkin reaktioista ovat luonnollisesti nopeampia kuin toiset. Reaktionopeuteen voidaan kuitenkin vaikuttaa eri tekijöillä.

Konsentraatio

Reaktionopeus on yleensä suurempi, kun konsentraatiot ovat suuria. Tämä voidaan selittää reagoivien hiukkasten (atomien, molekyylien tai ionien) törmäysten perusteella. Suurissa konsentraatioissa tapahtuu enemmän törmäyksiä kuin alhaisissa pitoisuuksissa. Törmäysteorian mukaan reaktio voi tapahtua, jos törmäävien molekyylien energioiden summa on suurempi tai yhtä suuri kuin reaktion aktivoitumisenergia.[7]

Paine

Kaasujen painetta lisätessä hiukkasten törmäysmäärä kasvaa, koska hiukkasia on enemmän pienemmässä tilassa. Reaktionopeus kasvaa suuntaan, jossa on vähemmän kaasumooleja, ja laskee päinvastaiseen suuntaan.[9]

Lämpötila

Lämpötila on reagoivien aineiden keskimääräisen kineettisen energian mitta. Lähes kaikkien kemiallisten reaktioiden nopeus kasvaa lämpötilan noustessa. Nyrkkisääntönä kun lämpötila nousee 10 celsiusastetta niin reaktionopeus kaksin-kolminkertaistuu.[9] Lämpötilan kasvu lisää molekyylien lämpöliikettä ja samalla törmäysten voimaa ja lukumäärää, jolloin useampi törmäys on tarpeeksi voimakas aiheuttamaan kemiallisen reaktion.[7] Lämpötilan vaikutusta reaktionopeuteen kuvaa Arrheniuksen yhtälö.

Katalyytti

Katalyytti nopeuttaa reaktiota alentamalla sen aktivoitumisenergiaa, joten suuremmalla osuudella törmäyksistä on reaktioon riittävä energia. Katalyytin läsnä ollessa reaktio tapahtuu eri reittiä eli eri mekanismilla kuin katalysoimaton reaktio. Katalysoidun reitin aktivoitumisenergia on pienempi kuin katalysoimattoman, mutta reaktioentalpiat ovat samat. Katalyytti ei kuitenkaan kulu kemiallisessa reaktiossa, vaikka se vaikuttaa siihen.[7]

Liuotin

Monet reaktiot tapahtuvat liuoksessa, joten liuottimen ominaisuudet vaikuttavat reaktionopeuteen. Liuottimen vaikutukset reaktionopeuteen riippuu siitä, miten liuottimen molekyylit vuorovaikuttavat lähtöaineiden ja/tai reaktiotuotteiden kanssa. Se millaisia vuorovaikutuksia muodostuu, riippuu liuottimen poolisuudesta. Vuorovaikutukset ovat yleensä molekyylien välisiä vuorovaikutuksia eli vetysidoksia, dipoli-dipolisidoksia, dispersiovoimia ja ioni-dipolisidoksia. Esimerkiksi, jos liuottimen molekyylit ympäröivät lähtöaineen täydellisesti, lähtöaineet eivät pääse törmäämään toisiinsa ja nopeus hidastuu. Jos liuottimen molekyylit muodostavat lähtöaineen kanssa sidoksen oikeaan paikkaan, saattaa tämä ohjata lähtöaineita törmäämään juuri oikeassa kulmassa, joten nopeus lisääntyy. Liuottimen molekyylit saattavat myös nostaa/alentaa reaktion aktivoitusmisenergiaa stabiloimalla tai de-stabiloimalla siirtymäkompleksia.[9]

Myös liuottimen viskositeetti vaikuttaa reaktionopeuteen. Erittäin viskoosisissa liuottimissa liuenneet hiukkaset diffuntoituvat paljon hitaammin kuin vähemmän viskoosisissa liuottimissa ja voivat törmätä harvemmin aikayksikköä kohden.[10]

Sähkömagneettinen säteily

Sähkömagneettinen säteily voi nopeuttaa reaktiota, koska se tarjoaa reagoivien aineiden hiukkasille enemmän kineettistä energiaa kuten esimerkiksi värähtely- tai pyörimisenergiaa.

Kiinteiden lähtöaineiden pinta-ala

Hienojakoisessa aineessa reagoivan aineen pinta-ala on suurempi, joten reaktioon johtavia törmäyksiä tapahtuu useammin. Esimerkiksi puita pilkotaan pienemmiksi, jotta ne syttyvät helpommin.[9]

Sekoittaminen

Sekoittaminen edistää reagoivien aineiden kulkeutumista toistensa kanssa vuorovaikutukseen, jolloin reaktionopeus kasvaa.

NopeuslaitMuokkaa

Differentialinen nopeuslakiMuokkaa

Kemiallisen reaktion reaktionopeuden ja sen reagoivien aineiden konsentraatioiden välinen yhteys voidaan ilmaista differentiaalisella nopeuslailla, jota voidaan kutsua myös reaktionopeusyhtälöksi.

Kun käänteistä reaktiota voidaan pitää merkityksettömänä, saadaan yleiselle kemialliselle reaktiolle differentiaalinen nopeuslaki (yleensä vain nopeuslaki).[7]

 

jossa v on reaktionopeus (M/s) ja [A], [B] (M) ovat lähtöaineiden konsentraatioita. Eksponenttitermit n ja m ovat reaktion kertalukuja lähtöaineiden suhteen, ja niiden summa on reaktion kokonaiskertaluku. Kertaluvut ovat yksinkertaisissa tapauksissa positiivisia kokonaislukuja. Kertalukuja ei tule sekoittaa reaktion stoikiometrisiin kertoimin. Verrannollisuuskerroin k on reaktionopeusvakio, joka määritetään kokeellisesti. Mitä suurempi k on, sitä suurempi reaktion etenemisnopeus on. Nopeusvakion yksikkö on riippuvainen reaktion kokonaiskertaluvusta.[7]

Reaktion nopeuslaki voidaan määrittää alkunopeusmenetelmällä, jossa mitataan sen alkunopeudet erilaisilla lähtökonsentraatioilla. Näitä saatuja nopeuksia verrataan toisiinsa, jotta saadaan reaktion kertaluvut, joiden perusteella kirjoitetaan nopeuslaki.

Integroitu nopeuslakiMuokkaa

Integroitu nopeuslaki kertoo konsentraation muutoksen ajan funktioina. Kun halutaan määrittää selkeä suhde reagoivien aineiden pitoisuuksien ja kuluneen ajan välillä, integroitu nopeuslaki on hyödyllisempi tapa tarkastella reaktiota kuin differentiaalinen nopeuslaki.[7]

Tarkastellaan yhtälöä    josta saadaan:

 

Tämän perusteella voidaan johtaa integroitu nopeuslaki 0., 1. ja 2. kertaluvun yhtälöille.[7]

0. kertaluvun yhtälön integroitu nopeuslaki:

 

1. kertaluvun yhtälön integroitu nopeuslaki:

 

2. kertaluvun yhtälön integroitu nopeuslaki:

 

Reaktionopeuden lämpötilariippuvuusMuokkaa

Reaktion lämpötilan nostaminen yleisesti nopeuttaa prosessia. Esimerkiksi metallin sulamiseen kuluva aika on paljon pidempi sulamispisteessä, kuin jos lämpötila on esimerkiksi 100 celsiusastetta sulamispistettä korkeammalla.

Jokaisella reaktionopeusvakiolla k on lämpötilariippuvuus, joka saadaan yleisimmin Arrheniuksen yhtälöstä:[11]

 

jossa Ea on aktivointienergia, A on pre-ekspotentiaalinen tekijä eli taajuustekijä sekä R on kaasuvakio.[12] Arrheniuksen yhtälön mukaan reaktio voi tapahtua vain siirtymätilateorian mukaisesti, kun yhden aineen hiukkanen törmää toisen hiukkasen kanssa muodostaen epästabiilin välituotteen. Tämä välituote on olemassa vain hyvin lyhyen aikaa ja hajoaa tämän jälkeen muodostaen kaksi tuotemolekyyliä. Välituotteen muodostamiseen vaadittava energia tunnetaan aktivointienergiana.

PaineriippuvuusMuokkaa

Kaasufaasissa olevien aineiden reaktionopeuksien paineriippuvuuksien vaikutukset ovat yleensä pienet verrattuna lämpötilariippuvuuteen, ellei reaktio tapahdu korkeassa yli sadan kbar paineessa. Poikkeuksena unimolekulaariset reaktiot. Kaasuräjähdys on esimerkki reaktiosta, jossa paineriippuvuudella on suuri vaikutus reaktionopeuteen. Nesteen ja kiinteän faasiin paineriippuvuudet ovat lähes aina mitättömiä reaktionopeuden kannalta ja ne usein jätetään huomioimatta.

Kuten aiemmin todettiin kaasujen painetta lisättäessä hiukkasten törmäysmäärä kasvaa, jolloin reaktionopeus voi kasvaa. Törmäyksien määrän kasvu ei kuitenkaan yksistään selitä mekanismia, jolla paineen kasvu saattaa kasvattaa reaktionopeutta, vaan reaktionopeuden paineriippuvuutta selitetään myös siirtymätilateorialla.

Nopeusvakion paineriippuvuus liittyy moolitilavuuteen. Reaktio, joka etenee aktivoidun kompleksin kautta:

 

aktivaatio moolitilavuus,  , on:

  ,

missä V̄ tarkoittaa moolitilavuutta ja ‡ osoittaa aktivoitua kompleksia.

Yllä olevalle reaktiolle voidaan määrittää reaktionopeusvakio (mooliosuuteen tai konsentraatioon perustuen) vakiolämpötilaisessa paineessa:[13]

 

  etumerkistä riippuen reaktionopeus voi kasvaa tai pienentyä paineen vuoksi. Monille reaktioille paineen muutos ei merkittävästi muuta reaktionopeutta, esimerkiksi jos painetta nostetaan ilmakehän paineesta (0,1 MPa) 50MPa:iin, monien orgaanisten reaktioiden reaktionopeudet vain kaksinkertaistuivat, vaikka paine viisisataa kertaistui.[14]

Katso myösMuokkaa

LähteetMuokkaa

  1. Robert C. Fay, Jill K. Robinson: Chemistry. Boston: {{{Julkaisija}}}, 2015. 889577526. ISBN 978-0-321-94317-0, 0-321-94317-1, 978-1-292-09286-7, 1-292-09286-6. Teoksen verkkoversio (viitattu 11.5.2022).
  2. F. Geoffrey Herring, Jeffry D. Madura, Carey Bissonnette: General chemistry : principles and modern applications. Toronto: {{{Julkaisija}}}, 2017. 964527472. ISBN 978-0-13-293128-1, 0-13-293128-1. Teoksen verkkoversio (viitattu 11.5.2022).
  3. Silva, Camylla K. S. & Baston, Eduardo P. & Melgar, Lisbeth Z. & Bellido, Jorge D. A.: Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis.. .
  4. Jiaqi Liu, Meiqing Shen, Chenxu Li, Jianqiang Wang, Jun Wang: Enhanced hydrothermal stability of a manganese metavanadate catalyst based on WO3–TiO2 for the selective catalytic reduction of NOx with NH3. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 2019-10, 128. vsk, nro 1, s. 175–191. doi:10.1007/s11144-019-01624-7. ISSN 1878-5190. Artikkelin verkkoversio. en
  5. Xiaoliang Li, Jiangjiang Feng, Zhigang Xu, Junqiang Wang, Yujie Wang, Wei Zhao: Cerium modification for improving the performance of Cu-SSZ-13 in selective catalytic reduction of NO by NH3. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 2019-10, 128. vsk, nro 1, s. 163–174. doi:10.1007/s11144-019-01621-w. ISSN 1878-5190. Artikkelin verkkoversio. en
  6. Aleksey A. Vedyagin, Vladimir O. Stoyanovskii, Roman M. Kenzhin, Elena M. Slavinskaya, Pavel E. Plyusnin, Yury V. Shubin: Purification of gasoline exhaust gases using bimetallic Pd–Rh/δ-Al2O3 catalysts. Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis, 2019-06, 127. vsk, nro 1, s. 137–148. doi:10.1007/s11144-019-01573-1. ISSN 1878-5190. Artikkelin verkkoversio. en
  7. a b c d e f g h i Steven Zumdahl & Donald J. DeCoste: Chemical Principles. .
  8. a b The IUPAC Compendium of Chemical Terminology: The Gold Book. Research Triangle Park, NC: International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), 2019. Teoksen verkkoversio (viitattu 11.5.2022). en
  9. a b c d Thomas Engel & Philip Reid: Thermodynamics – Statistical thermodynamics and Kinetics. .
  10. Joshua Halpern and Scott Johnson Chemistry 2000. 3.1.2016. Viitattu 11.5.2022. (englanniksi)
  11. Mirto Mozzon: Chemical kinetics: The study of reaction rates in solution. Inorganica Chimica Acta, 1991-02, 180. vsk, nro 1, s. 140. doi:10.1016/s0020-1693(00)83080-7. ISSN 0020-1693. Artikkelin verkkoversio.
  12. Antonio Possolo: Evaluating, Expressing, and Propagating Measurement Uncertainty for NIST Reference Materials. NIST Special Publication 260-202, 29.7.2020. National Institute of Standards and Technology. Artikkelin verkkoversio.
  13. John H. Meiser: Physical chemistry. Menlo Park, Calif.: Benjamin/Cummings Pub. Co, 1982. 8112942. ISBN 0-8053-5682-7, 978-0-8053-5682-3, 0-8053-5679-7, 978-0-8053-5679-3. Teoksen verkkoversio (viitattu 13.5.2022).
  14. Neil S. Isaacs: Physical organic chemistry. Burnt Mill, Harlow, Essex, England: Longman Scientific & Technical, 1995. 30974970. ISBN 0-582-21863-2, 978-0-582-21863-5, 0-470-23456-3, 978-0-470-23456-3. Teoksen verkkoversio (viitattu 13.5.2022).