Kemisk kinetik er studiet af, hvor hurtigt kemiske reaktioner opstår, og hvilke faktorer der påvirker deres hastigheder. Et af de vigtige begreber inden for kemisk kinetik er forholdet mellem hastigheden for dannelse af produkter og hastigheden af forsvinden af reaktanter i en afbalanceret kemisk ligning.
I denne artikel vil vi undersøge, hvordan man udtrykker dette forhold. for en simpel reaktion, der involverer vand og ilt, og hvordan man bruger den til at beregne hastigheden af forskellige arter.
Reaktionen mellem brint og oxygen
Reaktionen mellem brint og oxygen til dannelse vand er en af de mest almindelige og vigtige reaktioner i kemi. Det kan skrives som:
$$2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g)$$
Denne reaktion er eksoterm, hvilket betyder, at den frigiver varme, og kan bruges som energikilde i brændselsceller eller raketter.
Hastigheden af dannelse og forsvinden
Hastigheden af en kemisk reaktion er defineret som ændringen i koncentrationen af en reaktant eller produkt pr. tidsenhed. For eksempel er vanddannelseshastigheden i denne reaktion:
$$\text{Hastighed for dannelse af vand}=\frac{\Delta[H_2O]}{\Delta t}$$
hvor $\Delta[H_2O]$ er ændringen i koncentrationen af vand og $\Delta t$ er ændringen i tid.
Tilsvarende er hastigheden for forsvinden af ilt i denne reaktionen er:
$$\text{Hastighed for forsvinden af oxygen}=-\frac{\Delta[O_2]}{\Delta t}$$
hvor $\Delta [O_2]$ er ændringen i koncentrationen af oxygen og $\Delta t$ er ændringen i tid. Det negative fortegn indikerer, at koncentrationen af oxygen falder, efterhånden som reaktionen skrider frem.
Det støkiometriske forhold
Den afbalancerede kemiske ligning fortæller os, hvor mange mol af hver reaktant eller produkt, der er involveret i reaktion. For hver 2 mol brint, der reagerer, reagerer der for eksempel 1 mol ilt, og der dannes 2 mol vand. Dette betyder, at hastighederne for dannelse og forsvinden er forbundet med en støkiometrisk faktor, der afhænger af koefficienterne i ligningen. Til denne reaktion kan vi skrive:
$$-\frac{\Delta[O_2]}{\Delta t}=\frac{1}{2}\frac{\Delta[H_2O]} {\Delta t}$$
eller
$$\frac{\Delta[H_2O]}{\Delta t}=2 \gange (-\frac{\Delta[ O_2]}{\Delta t})$$
Denne ligning fortæller os, at hastigheden for forsvinden af ilt er halvdelen af vandets dannelseshastighed, eller tilsvarende, at hastigheden af dannelsen af vand er to gange hastigheden af forsvinden af ilt.
Sådan bruger man dette forhold
Dette forhold kan være nyttigt til at beregne hastigheden for forskellige arter, hvis vi kender hastigheden for én art. For eksempel, hvis vi måler, at hastigheden for dannelse af vand på et bestemt tidspunkt er $4,0 \ gange 10^{-5}$ M/s, kan vi bruge denne ligning til at finde hastigheden for forsvinden af ilt på det tidspunkt:
$$-\frac{\Delta[O_2]}{\Delta t}=\frac{1}{2}\frac{\Delta[H_2O]}{\Delta t}=\frac{ 1}{2} \times (4,0 \times 10^{-5})=2,0 \times 10^{-5} M/s$$
Dette betyder, at på det tidspunkt er koncentrationen af oxygen falder med $2,0 \times 10^{-5}$ M/s.
Alternativt, hvis vi måler, at hastigheden for forsvinden af oxygen på et bestemt tidspunkt er $-6,0 \time 10^{-5}$ M/s, vi kan bruge denne ligning til at finde vandets dannelseshastighed på det tidspunkt:
$$\frac{\Delta[H_2O]}{\Delta t}=2 \times (-\frac{\Delta[O_2]}{\Delta t})=2 \times (-6,0 \times 10^{-5})=1,2 \times 10^{-4} M/s$$
Det betyder, at koncentrationen af vand på det tidspunkt stiger med $1,2 \ gange 10^{-4}$ M/s.
Konklusion
I denne artikel har vi lært, hvordan man udtrykker forholdet mellem hastigheden af dannelsen af vand og hastigheden af forsvinden af ilt i en simpel reaktion, der involverer brint og ilt. Vi har også set, hvordan man bruger dette forhold til at beregne satserne for forskellige arter, hvis vi kender hastigheden for én art. Dette er en grundlæggende færdighed i kemisk kinetik, der kan hjælpe os med at forstå og kontrollere hastigheden af kemiske reaktioner.