Reactiesnelheid (Scheikunde havo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Uitleg over reactiesnelheid: het botsende-deeltjesmodel, effectieve botsingen en activeringsenergie, de invloed van concentratie, druk, temperatuur, verdelingsgraad en katalysator, en s = Δc / Δt. Met woordweb, vijf controlevragen, twee animaties, een poll en een open vraag.

Brandende staalwol: veel oppervlak, snelle reactie met O₂ (foto: AgrisR, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Reactiesnelheid

Examenstof scheikunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: R3.1, R3.2, R&A1.2 (reactiesnelheid), R5.1 (activeringsenergie, invloed van een katalysator). Image credit: AgrisR / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Wat ga je kunnen?

Ik kan een verandering van de reactiesnelheid verklaren met botsende deeltjes en de reactiesnelheid berekenen uit een tabel of grafiek.

Welke reacties gaan snel en welke langzaam?

Verwacht: vuurwerk, ontbranding, een bruistablet (snel); roesten, bederf, verwering van steen (langzaam). Koppel aan de les: scheikundigen willen weten hoe snel een reactie gaat en wat je eraan kunt veranderen. Veelgemaakte misvatting: een reactie die veel warmte of product geeft, is daarom ook snel; snelheid en hoeveelheid zijn twee verschillende dingen. Syllabus R3.

Uitkijktoren van roestend staal: een langzame reactie (foto: Z thomas, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Reactiesnelheid

• Sommige reacties duren jaren (roesten), andere een fractie van een seconde (ontbranding).

• De reactiesnelheid s is de verandering van de concentratie van een stof per tijdseenheid.

• Symbool s, eenheid mol L⁻¹ s⁻¹: hoeveel mol per liter er per seconde verdwijnt of ontstaat.

• Een snelle reactie heeft een grote s, een langzame reactie een kleine s.

Syllabus R&A1.2: reactiesnelheid, symbool s, eenheid mol L⁻¹ s⁻¹. De berekening volgt in blok 3. Veelgemaakte fout: s verwarren met de totale hoeveelheid product; s zegt hoe snel de concentratie verandert, niet hoeveel er uiteindelijk ontstaat. Kijkvraag bij de foto: roest ontstaat langzaam, noem een reactie die juist heel snel gaat. Image credit: Z thomas / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Twee botsingen: terugkaatsen of reageren (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Het botsende-deeltjesmodel

• Volgens het botsende-deeltjesmodel reageren deeltjes alleen als ze met elkaar botsen.

• Niet elke botsing geeft een reactie: bij de meeste kaatsen de deeltjes gewoon terug.

• Een botsing waarbij wel een reactie optreedt, is een effectieve botsing.

• Hoe meer effectieve botsingen per seconde, hoe groter de reactiesnelheid.

Syllabus R3.1: veranderingen in reactiesnelheid verklaren met het botsende-deeltjesmodel. Laat de figuur beschrijven: bovenin te weinig energie, de deeltjes kaatsen terug; onderin genoeg energie, er ontstaat een product. Veelgemaakte fout: denken dat deeltjes elkaar alleen hoeven te raken om te reageren. Image credit: Eigen figuur voor deze les

Magnesiumlint brandt met een felle vlam (foto: Capt. John Yossarian, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Activeringsenergie

• Voor een effectieve botsing hebben de deeltjes minstens een bepaalde minimale energie nodig.

• Die minimale energie is de activeringsenergie: hij is nodig om bindingen te verbreken.

• Magnesiumlint brandt niet vanzelf: pas na aansteken hebben de botsingen met O₂ genoeg energie.

• De reactiesnelheid hangt af van het aantal botsingen per seconde en van het deel dat effectief is.

Syllabus R3.2 en R5.1: activeringsenergie. Het energiediagram en endotherm/exotherm komen in een ander onderwerp aan bod; hier gaat het om het begrip. Reactie in de foto: 2 Mg + O₂ → 2 MgO (kloppend: 2 Mg en 2 O links en rechts). Alleen als demonstratie met veiligheidsbril en zonder in de vlam te kijken. Kijkvraag: waarom brandt het lint niet zonder aansteken, terwijl lucht er de hele tijd langs komt? Image credit: Capt. John Yossarian / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Wanneer is een botsing tussen deeltjes effectief?

A

Altijd, zodra twee deeltjes elkaar raken

B

Alleen als de deeltjes even groot zijn

C

Als de deeltjes genoeg energie hebben om te reageren

D

Alleen als de temperatuur boven 100 °C ligt

Een botsing is effectief als er genoeg energie is (minstens de activeringsenergie) en er een reactie optreedt. Verwachte fout: denken dat elke botsing een reactie geeft. Syllabus R3.1.

Vul in

Bij een effectieve botsing hebben de deeltjes minstens de activeringsenergie en reageren ze.

effectieve botsing

activeringsenergie

reactiesnelheid

verdelingsgraad

Begrippen van dia 2 en 3. Syllabus R3.1 en R3.2.

Zelfde volume: zes of achttien deeltjes (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Concentratie en druk

• Bij een hogere concentratie zitten er meer deeltjes per liter: ze botsen vaker.

• Meer botsingen per seconde geeft meer effectieve botsingen per seconde: s wordt groter.

• Bij gassen werkt de druk zo: bij hogere druk zitten dezelfde deeltjes in een kleiner volume.

• Het deel van de botsingen dat effectief is, blijft hierbij gelijk.

Syllabus R3.1: concentratie en druk. Alleen bij gassen heeft druk invloed op de reactiesnelheid. Veelgemaakte fout: zeggen dat de deeltjes sneller gaan bewegen; dat gebeurt alleen bij hogere temperatuur. Kijkvraag: wat is er gelijk in de twee vakken en wat is anders? Image credit: Eigen figuur voor deze les

Animatie: botsende deeltjes bij lage en hoge temperatuur (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Temperatuur

• Bij hogere temperatuur bewegen de deeltjes gemiddeld sneller.

• Ze botsen vaker, maar vooral: een groter deel van de botsingen heeft minstens de activeringsenergie.

• In de animatie zie je in het warme vak meer reacties dan in het koude vak.

• Beide effecten geven meer effectieve botsingen per seconde: s wordt groter.

Syllabus R3.1: temperatuur. In de animatie is een botsing tussen A en B effectief als ze met genoeg snelheid op elkaar botsen; een magenta ring toont dat moment. Het aantal reacties in beide vakken staat op de regel boven elk vak. Kijkvraag: waarom zijn er in het warme vak meer reacties, terwijl er evenveel deeltjes zijn? Veelgemaakte fout: alleen noemen dat de deeltjes vaker botsen. Image credit: Eigen animatie voor deze les

Zaagsel: veel oppervlak per gram hout (foto: Rasbak, CC BY-SA 3.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Verdelingsgraad

• De verdelingsgraad zegt hoe fijn een vaste stof is verdeeld: één brok of een fijn poeder.

• Fijner verdeeld betekent meer contactoppervlak waar deeltjes van de andere stof tegenaan botsen.

• Meer botsingen per seconde met het oppervlak geeft een grotere reactiesnelheid.

• Zaagsel brandt veel sneller dan een blok hout; in stoffige ruimtes kan fijn stof zelfs ontploffen.

Syllabus R3.1: verdelingsgraad. De hoeveelheid stof blijft gelijk, alleen het contactoppervlak neemt toe. Fijn brandbaar stof (zoals meel of zaagsel) kan in de industrie explosiegevaar geven; dat is de reden voor stofafzuiging en veiligheidsmaatregelen. Veelgemaakte fout: zeggen dat de deeltjes zelf kleiner worden of sneller bewegen. Image credit: Rasbak / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Een verklaring opschrijven

• Noem de factor: wat is er veranderd (concentratie, druk, temperatuur of verdelingsgraad)?

• Zeg wat dat met de deeltjes doet: meer deeltjes per liter, snellere deeltjes of meer oppervlak.

• Koppel aan botsingen: meer (effectieve) botsingen per seconde.

• Sluit af met de conclusie: dus een grotere reactiesnelheid.

• Bij temperatuur noem je ook: een groter deel van de botsingen is effectief.

Syllabus R3.1. Dit stappenplan komt terug in de examentraining. Laat leerlingen het in tweetallen toepassen op de brandende staalwol van de omslag: in lucht gloeit het, in zuivere zuurstof brandt het fel.

Waarom reageert een gas sneller als je de druk verhoogt?

A

De deeltjes krijgen meer energie per botsing

B

Meer deeltjes per liter, dus meer botsingen per seconde

C

De activeringsenergie van de reactie wordt lager

D

De beginstoffen worden eerst warmer en reageren sneller

Hogere druk bij gelijke temperatuur betekent een hogere concentratie: meer botsingen per seconde. De energie per botsing en de activeringsenergie veranderen niet. Syllabus R3.1.

Animatie: een deeltje en de energieberg, zonder en met katalysator (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Katalysator

• Een katalysator versnelt een reactie zonder zelf te worden verbruikt.

• Hij zorgt voor een route met een lagere activeringsenergie.

• Daardoor is een groter deel van de botsingen effectief: meer effectieve botsingen per seconde.

• De beginstoffen en de producten blijven hetzelfde; alleen de snelheid verandert.

Syllabus R3.2 en R5.1: activeringsenergie, katalysator, invloed van een katalysator. In de animatie heeft het deeltje in beide vakken dezelfde energie (stippellijn). Zonder katalysator komt het niet over de berg en kaatst terug, met katalysator wel. Kijkvraag: wat is er anders aan de berg, en wat is er gelijk gebleven? Veelgemaakte fout: denken dat een katalysator het deeltje meer energie geeft. Image credit: Eigen animatie voor deze les

Het keramische binnenwerk van een autokatalysator (foto: Cyrogigabyte, CC0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Katalysator in de praktijk

• In de uitlaat van een auto zet een katalysator giftige gassen om: 2 CO + 2 NO → 2 CO₂ + N₂.

• Een keramisch binnenwerk met een laagje edelmetaal geeft de gassen veel oppervlak.

• Enzymen in je lichaam zijn katalysatoren (biokatalysatoren) die reacties versnellen.

• Een katalysator wordt niet verbruikt, dus je hebt maar weinig nodig.

Syllabus R3.2 en R5.1; enzymen als biokatalysator staan in de syllabus bij Chemie van het leven. De vergelijking klopt: links 2 C, 2 N en 4 O, rechts 2 C, 4 O en 2 N. Veelgemaakte fout: de katalysator in de vergelijking meetellen of denken dat hij opraakt. Image credit: Cyrogigabyte / Wikimedia Commons, CC0

Concentratie H₂O₂ tegen de tijd, met Δc en Δt tussen 0 en 30 s (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Reactiesnelheid berekenen

• Formule: s = Δc / Δt, de verandering van de concentratie gedeeld door de tijd.

• Voorbeeld: c(H₂O₂) daalt van 0,80 naar 0,56 mol L⁻¹ in de eerste 30 s.

• s = (0,80 − 0,56) / 30 = 8,0·10⁻³ mol L⁻¹ s⁻¹.

• Bij een beginstof is Δc negatief; je rekent met de grootte, zodat s positief is.

Syllabus R&A1.2: reactiesnelheid, symbool s, eenheid mol L⁻¹ s⁻¹. Controle: 0,80 − 0,56 = 0,24; 0,24 / 30 = 0,0080 = 8,0·10⁻³ mol L⁻¹ s⁻¹. De gegevens hebben twee significante cijfers, dus het antwoord ook. Veelgemaakte fouten: Δt en Δc omdraaien en het teken laten meetellen. Image credit: Eigen figuur voor deze les

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

De snelheid neemt af

• De grafiek wordt vlakker: de reactiesnelheid is aan het begin het grootst.

• Tussen 60 en 90 s: s = (0,39 − 0,27) / 30 = 4,0·10⁻³ mol L⁻¹ s⁻¹, de helft van de snelheid aan het begin.

• Reden: de beginstof raakt op, de concentratie daalt en er zijn minder botsingen per seconde.

• Je berekent dus altijd een gemiddelde snelheid over een tijdsinterval Δt.

• Gegeven een tabel? Kies twee tijdstippen, lees c af en reken met dezelfde formule.

Syllabus R&A1.2 en R3.1. Controle: 0,39 − 0,27 = 0,12; 0,12 / 30 = 0,0040 = 4,0·10⁻³ mol L⁻¹ s⁻¹; de snelheid in de eerste 30 s was 8,0·10⁻³, dus precies de helft. Veelgemaakte fout: denken dat s constant is omdat de reactie bij dezelfde temperatuur verloopt.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Eenheden en meten

• Reken de tijd om naar seconden: 2,0 min is 1,2·10² s.

• Van mol L⁻¹ min⁻¹ naar mol L⁻¹ s⁻¹ deel je door 60.

• Reactiesnelheid meten: volg iets wat verandert, zoals kleur, massa of gasvolume, en reken om naar concentratie.

• Rond af op het kleinste aantal significante cijfers van de gegevens.

Syllabus R&A1.2. Controle: 2,0 min = 120 s = 1,2·10² s. Veelgemaakte fout: de eenheid minuten laten staan.

c: 0,50 → 0,30 mol L⁻¹ in 40 s. Bereken s.

s = Δc / Δt = (0,50 − 0,30) / 40 = 0,20 / 40 = 5,0·10⁻³ mol L⁻¹ s⁻¹. Verwachte fouten: Δc / Δt omgedraaid (2,0·10²) en de eenheid vergeten. Syllabus R&A1.2.

Wat gebeurt er met een katalysator tijdens de reactie?

A

Hij wordt verbruikt tot de reactie klaar is

B

Hij wordt omgezet in een van de producten

C

Hij reageert mee met een deel van de beginstoffen

D

Hij is na afloop nog even veel aanwezig

Een katalysator wordt niet verbruikt. Verwachte fout: denken dat hij net als een beginstof opraakt. Syllabus R3.2.

Wat vond je vandaag het lastigst?

1

Verklaren met botsende deeltjes

2

Welke factor bij welke proef

3

Rekenen met s = Δc / Δt

4

Katalysator en activeringsenergie

Gebruik de uitslag om te bepalen welk onderdeel je nog eens met een voorbeeld doorneemt.

Welke stap in een verklaring sla jij vaak over?

Persoonlijke reflectie, geen goed of fout. Verwacht: koppelen aan (effectieve) botsingen per seconde, of de conclusie over de reactiesnelheid. Laat leerlingen de stap in één zin benoemen.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Begrippen (1/2)

• reactiesnelheid: verandering van de concentratie per seconde; s in mol L⁻¹ s⁻¹

• botsende-deeltjesmodel: deeltjes reageren alleen als ze botsen

• effectieve botsing: botsing waarbij een reactie optreedt

• activeringsenergie: minimale energie voor een effectieve botsing

• concentratie: meer deeltjes per liter: meer botsingen per seconde

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · REACTIES · SNELHEID

Begrippen (2/2)

• druk: bij gassen: hogere druk is hogere concentratie

• temperatuur: sneller bewegende deeltjes, groter deel effectief

• verdelingsgraad: hoe fijn een vaste stof is verdeeld; meer oppervlak

• katalysator: versnelt de reactie via lagere activeringsenergie, wordt niet verbruikt

• Δc / Δt: verandering van de concentratie gedeeld door de tijd