Reaktionopeus ja aktivoitumisenergia

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Reaktionopeus ja aktivoitumisenergia Mitä tarkoittaa reaktionopeus? Miksi eintarvikkeissa on parasta ennen päiväys? Entä miksi maito säiytetään jääkaapissa? Maidon happaneminen ja raudan ruostuminen ovat esimerkkejä hitaista reaktioista. Määritemä, kemiainen reaktionopeus: Kemiaisen reaktion nopeus kuvaa reaktioon osaistuvien aineiden määrien (usein konsentraatio) muutosta aikayksikköä ei ajanmuutosta kohden: Reaktionopeutta, merkitään ν [nyy], kuvataan suureyhtäöä ν = c t = c oppu c aku konsentraation muutos (mo/) = t oppu t aku aikaväi ei ajan muutos (s, min, h tai d). Kemiaisen reaktion nopeutta imaisevia yksiköitä ovat mm. g/min, m/min ja kg/h, jne. Reaktionopeus määriteään siis joko ähtöaineen määrän vähenemisenä tai reaktiotuotteen määrän isääntymisenä tietyä aikaväiä. Huomaa, että kyseessä on keskimääräinen muutosnopeus. Voidaan myös tarkastea esim. akunopeutta tai hetkeistä muutosnopeutta derivointi. (Pistaparit käyräsov.) Todeisuudessa reaktiot sisätävät useita eri vaiheita ja jokin reaktion vaihe on hitain. Tätä vaihetta kutsutaan reaktionopeutta määrääväksi vaiheeksi. Yksityiskohtaista tapaa, joa reaktion ähtöaineet muuttuvat opputuotteiksi sanotaan reaktion mekanismiksi. Yeisesti sitä kemian osa-auetta, joka tutkii kemiaisen reaktion nopeutta kutsutaan kinematiikaksi (kreik. kinema=iike). Esimerkki 1: Vetyperoksidi hajoaa vedeksi ja hapeksi. H 2 O 2 -iuoksen konsentraatio määritettiin titraamaa. Kokeen aussa akukonsentraatio oi 3,0 mo/. Titraus toistettiin 5 vrk:n kuuttua, jooin konsentraatio oi 2,8 mo/. Mikä oi H 2 O 2 :n hajoamisreaktion nopeus yksikössä M/min? Ratkaisu: Konsentraation muutos on joten c = c oppu c aku = 2,8 mo/ 3,0 mo/ = 0,2 mo/ ν = c 0,2 mo/ mo/ = = 2,78 10 3 t 7 200 min min. Arvo on negatiivinen koska nopeutta määritettäessä tarkastetiin ähtöaineiden määrän vähenemistä. Etumerkki (miinus) jätetään pois opuisesta vastauksesta. Vastaus: Vetyperoksidin hajoamisnopeus on n. 3 10 3 mo/( min) 1

Mistä kemiaisen reaktion nopeus riippuu? Kokeeisesti on havaittu, että reaktionopeus riippuu HC-demo, sivu 143 1. ähtöaineiden konsentraatiosta (väkevämmässä suurempi), 2. reaktioseoksen ämpötiasta (korkeammassa ämpötiassa suurempi), 3. kiinteän aineen pinta-aasta (hienojakoisemmaa aineea suurempi), 4. katayytin äsnäoosta (katayytin äsnä oessa suurempi) ja 5. sekoittamisesta, jos ähtöaineet ovat eri faasissa (sekoitus suurempi). Niin sanottu törmäysteoria seittää edeä mainitut riippuvuudet mikrotasoa. Törmäysteoriaan iittyvät käsitteet aktivoitumisenergia ja siirtymätia. Matemaattisesti reaktionopeutta tarkasteaan reaktionopeusausekkeen (moniste) avua. Yeisee reaktioyhtäöe saadaan nopeusauseke a A + b B c C + d D ν = k A x B y, missä k on kyseisee reaktioe ominainen reaktionopeusvakio, A ja B ovat aineiden A ja B konsentraatiot (huomaa merkintätapa) ja x ja y aineiden A ja B kertaukuja. Esimerkki: Tarkasteaan auksi konsentraation ja pinta-aan vaikutusta reaktionopeuteen kuvaajien avua. HC 2 mo HC 1 mo HC 0,5 mo CaC 2 aq + CO 2 g + H 2 O mukaisesti, vaikuttaa hapon konsentraatio hiiidioksidin muodostumisnopeuteen. marmorirouhe marmoripaa Kun kasiumkarbonaatti ja suoahappo reagoivat yhtäön CaCO 3 s + 2 HC aq Syntyvän hiiidioksidin määrä ajan funktiona, kun käytetään samanväkevyistä suoahappoa, mutta marmorin pinta-aa on eriainen. 2

Koska reaktionopeus määritetiin aineen määrän (c tai n) muutoksena aikayksikköä kohden, niin on sevää, että isommassa määrässä (ei isompi konsentraatio tai ainemäärä) reaktionopeus on suurempi. Tämä tarkoittaa sitä, että aussa reaktionopeus on suurempi kuin opussa (eei saada isää ähtöainetta/-aineita). Esimerkki: Tarkasteaan vetyperoksidin hajoamista vedeksi ja hapeksi. 2 H 2 O 2 aq 2 H 2 O + O 2 g Hajoaminen aussa nopeampaa kuin opussa, koska H 2 O 2 pienenee. Nopeuksia tarkastetaessa reaktioyhtäö muokataan yeensä siten, että ainetta, jonka suhteen nopeus imoitetaan, on yksi mooi. Ei edeä käyty hajoaminen kirjoitetaan muotoon 1 H 2 O 2 aq 1 H 2 O + 1 2 O 2 g. Esimerkki: Tutkittaessa vetyperoksidin hajoamista vedeksi ja hapeksi, 2 H 2 O 2 aq 2 H 2 O + O 2 g, saatiin seuraavat tuokset: a) Piirrä kuvaaja, josta seviää H 2 O 2 :n konsentraation muutos ajan funktiona. b) Mikä on H 2 O 2 :n keskimääräinen hajoamisnopeus ensimmäisten 1600 sekuntien aikana? c) Mikä on H 2 O 2 :n hajoamisnopeus hetkeä t = 800 s? (Huom. hetkeinen!) d) Mikä on O 2 :n syntymisnopeus hetkeä t = 800 s? 3

Ratkaisu: a) Kuvaaja b) H 2 O 2 :n keskimääräinen hajoamisnopeus on H mo 2O 2 0,73 2,32 = t 1600 0 s 4 mo = 9,937 10 9,9 10 4 mo ei sekantin kumakertoimen vastauku (sana hajoaminen sisätää vähentymisen). c) H 2 O 2 :n hetkeinen hajoamisnopeus määritetään graafista derivointia (tangentin asettamista) käyttäen, saadaan H 2O 2 t mo 1,05 = 4 mo = 8,75 10 1200 s ei tangentin kumakertoimen vastauku. 8,8 10 4 mo d) Nyt pitää muokata hajoamisreaktio siten, että H 2 O 2 :n kerroin on yksi. 1 H 2 O 2 aq 1 H 2 O + 1 O 2 2 g, josta voidaan pääteä, että O 2 :n hetkeinen syntymisnopeus on puoet H 2 O 2 :n hetkeisestä hajoamisnopeudesta, siis 4 mo 0,5 8,75 10 mo 4,4 10 4. TÖRMÄYSTEORIA Törmäysteoria on mai, joka ähtee komesta perusajatuksesta: 1. aineen rakenneosien atomien, moekyyien tai ionien on törmättävä toisiinsa, 2. törmäys oikeasta suunnasta, ei oikea kohta ja 3. törmäykseen iittyvä energia otava suurempi kuin reaktioe tyypiinen ns. minimienergia, ei aktivoitumisenergia, merkitään E a. 4

Lämpötian nostaminen isää nopeasti iikkuvien rakenneosien ukumäärää. Reaktionopeus kaksinkertaistuu (noin), kun ämpötiaa nostetaan 10 astetta. Vakioämpötiassa ähtöaineen konsentraation ja kiinteän aineen pinta-aan suurentaminen sekä sekoittaminen isäävät reaktioon johtavien törmäysten ukumäärää ja reaktionopeutta. Tavaisesti vain joka mijoonas tai vieäkin harvempi törmäys johtaa reaktioon! Siirtymätia ja aktivoitumisenergia REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Määritemä, siirtymätia: Siirtymätia on suurienerginen, pysymätön ja yhytikäinen tia, jossa vanhat sidokset ovat juuri katkeamaisiaan ja uudet sidokset ovat akamassa muodostua. Siirtymätia voi hajota reaktiotuotteiksi tai takaisin ähtöaineiksi! Syntyvää väituotetta sanotaan siirtymäkompeksiksi. E a E a H H Eksoterminen reaktio Endoterminen reaktio 5

Esimerkkejä Törmäyksissä vapautuva kineettinen energia sitoutuu ähtöaineisiin, joten siirtymätian potentiaaienergia on aina suurempi kuin ähtöaineiden potentiaaienergia (ekso ja endo). Siirtymäkompeksin ja -tian muodostumiseen tarvittavaa energiaa kutsutaan aktivoitumisenergiaksi E a. Määritemä, aktivoitumisenergia: Aktivoitumisenergia E a on pienin energia, joka reaktion ähtöaineia on otava, jotta reaktio voi tapahtua. Energiakaaviossa E a on siirtymätian energian ja ähtöaineiden energian erotus. Aktivoitumisenergian suuruus on kuekin reaktioe tyypiinen ja aina positiivinen. Suuri aktivoitumisenergia tarkoittaa, että törmäävien hiukkasten iikeenegian on otava hyvin suuri, jotta reaktio voisi tapahtua. Entapia H < 0, joten voisi oettaa, että reaktio on spontaani. Miksi ei oe? Entä jos oisi? 6

Aktivoitumisenergian takia eksotermisetkaan reaktiot eivät tapahdu itsestään, vaan vaativat akusysäyksen nuotio pitää sytyttää! Tarkasteaan endo- ja eksotermisten reaktioiden kuvaajia. Endotermisen reaktion E a on aina suurempi kuin kyseisen reaktion H. Mikä vaihe on ns. määräävä vaihe? Huomaa, että reaktion ja käänteisreaktion E a :t eivät oe toistensa vastaukuja! Katayytit ja inhibiittorit Määritemä, katayytti : Reaktioita nopeuttavia aineita kutsutaan katayyteiksi ja imiötä, jossa reaktio nopeutuu katayytin vaikutuksesta sanotaan katayysiksi. Katayysi perustuu siihen, että katayytti aentaa reaktion aktivoitumisenergiaa. HUOM! Katayytin määrä pysyy samana reaktion aikana! 7

Jos katayytti on samassa oomuodossa kuin reaktion ähtöaineet, puhutaan homogeenisesta katayytistä. Täaisia ovat mm. souissa toimivat ensyymit. Teoisuus hyödyntää heterogeenisia katayyttejä. Katayytti on eri oomuodossa kuin ähtöaineet. Eriaiset metait, joiden pinnaa tapahtuu kaasuie hauttu reaktio. Steerinen este (steric hindrance) tarkoittaa, että jotain on reaktion kohdan tieä, ns. avaruudeista este. Esim. jokin moekyyin osa tai moekyyi on haaroittunut. Määritemä, entsyymit: Entsyymit ovat eoisen uonnon katayyttejä. Ne ovat proteiineja (vakuaisaineita), jotka ovat askostuneet siten, että proteiiniin jää aukko tai tunnei, jossa reaktio pääsee tapahtumaan. Sitä kohtaa, jossa reaktio tapahtuu, kutsutaan aktiiviseksi keskukseksi. Määritemä, inhibiittori: Inhibiittorit ovat aineita, jotka hidastavat tai jopa kokonaan estävät reaktion. Esimerkiksi - Monet ääkeaineet toimivat eimistössä siten, että ne estävät entsyymi(e)n toiminnan. - Happojen käyttö säiöntäaineena perustuu siihen, että ne hidastavat entsyymien toimintaa ja mikrobien kasvua. Reaktiospesifyys = tietty katayytti toimii tietyn reaktion suhteen katayyttinä. Määritemä, steerinen este (steric hindrance): Steerinen este on atomien ja atomiryhmien koosta aiheutuva kemiaisen reaktion nopeutta aentava tekijä. Suomeksi: Tarkoitetaan tiannetta, jossa reaktion aktiivinen kohta on piiossa, ei jotain on tieä. Esimerkiksi moekyyi on haaroittunut ja reaktiivinen kohta on moekyyin keskeä. 8

ENTSYYMIT Entsyymit ovat eoisen uonnon katayyttejä. Ne ovat proteiineja (vakuaisaineita), jotka ovat askostuneet siten, että proteiiniin jää aukko tai tunnei, jossa reaktio pääsee tapahtumaan. Sitä kohtaa, jossa reaktio tapahtuu, kutsutaan aktiiviseksi keskukseksi. 9