3.1. Reaktsiooni kiirus ja tasakaal

Keemiline kineetika on teadus keemiliste reaktsioonide kiirusest.

Mis on keemilise reaktsiooni kiirus, millised tegurid mõjutavad reaktsiooni kiirust – nendele küsimustele saad vastuse järgnevast videost.

Allikas: https://youtu.be/E0MlY2Y7MQ0

Mis on reaktsiooni kiirus

Keemilise reaktsiooni kiirus väljendab aine kontsentratsiooni muutust ajaühikus.

Keemilise reaktsiooni kiirus väljendab aine kontsentratsiooni muutust ajaühikus. Kiirust tähistakse tähega v ning selle põhiühik  on mol/(dm³ s). Kuigi koolis kiiruse valemit ei õpetata, siis selguse mõttes toome selle siin siiski välja:

$v=\frac{c_{lõpp}-c_{alg}}{t_{lõpp}-t_{alg}}=\frac{\mathrm{\Delta }c}{\mathrm{\Delta }t}$

c_lõpp ja c_alg on aine lõpp- ja algkontsentratsioonid (ühik mol/dm³ ehk M), t_lõpp – t_alg tähistab  ajavahemikku, mille vältel protsessi vaadeldakse (aja ühik võib olla sekund, aga kasutatakse ka minutit, tundi ja mõnikord koguni aastat). Reaktsiooni kiirust võib vaadelda nii lähtainete ära reageerimise kui ka saaduste tekkimise järgi.

Kui kiiresti reaktsioon toimub

Kindlasti tead juba, et reaktsioonid võivad toimuda väga erineva kiirusega. Näiteks happe ja leelise kokkusegamisel toimub reaktsioon kiiresti (keeduklaas läheb kiiresti kuumaks). Mõned protsessid toimuvad aga väga aeglaselt, nii aeglaselt, et me ei jõuagi seda ära oodata. Üheks selliseks näiteks on teemandi lagunemine grafiidiks: vanaema teemantsõrmusest võib saada lõpuks tükike grafiiti, aga me ei jõua kunagi seda hetke ära oodata.

Joonis 1. Teemant ja grafiit. Allikas: https://www.petragems.com/blog/difference-between-diamond-and-graphite/

Millest reaktsiooni kiirus sõltub ehk teeme “elevandile hambapastat”

Vaata “elevandi hambapasta” katset.

Oled vast näinud katset “elevandi hambapasta”. Selle reaktsiooni võrrand on tegelikult lihtne:

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑

Kui valada vesinikperoksiidi lahus mensuuri, siis on raske seal näha mingeid muutusi. Vesinikperoksiid küll laguneb valguse toimel (sellepärast säilitatakse seda tumedas pudelis), kuid see reaktsioon on väga aeglane.

Kui aga lisada vesinikperoksiidi lahusele kaaliumjodiidi lahust (katalüsaator), siis võib saada päris tormilise reaktsiooni, mis toimub kahes etapis:

H₂O₂ + I^– → OI^– + H₂O

H₂O₂ + OI^– → I^– + H₂O + O₂↑

Märkus: Need etapid on toodud illustratsiooniks, sedasorti väga kiiresti edasi reageerivate vaheühenditega ioonreaktsioonid ei ole gümnaasiumi keemia õppekavas.

Neid kahte võrrandit kokku nimetatakse reaktsiooni mehhanismiks. Reaktsiooni mehhanism peab alati andma kokku summaarse reaktsiooni. Proovi, kas saad mehhanismi kahest etapist kokku vesinikperoksiidi lagunemise reaktsiooni. (Liida omavahel mõlema reaktsiooni lähtained ja saadused)

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑

Selgub, et I^–  ja OI^–  on justkui ülearused, sest taanduvad summaarsest võrrandist välja. Tegelikult aga mängivad nad mõlemad reaktsioonis olulist rolli: jodiidioon on katalüsaatoriks, mis tekitab vesinikperoksiidiga reageerides väga ebapüsiva reaktsioonivõimelise vaheühendi OI^–, mis reageerib kiiresti edasi.  Saime teada ühe võimaluse, kuidas reaktsiooni kiirust mõjutada – lasta sellel toimuda katalüsaatori toimel teist teed mööda.

Katalüsaator on aine, mis kiirendab reaktsiooni, sest võimaldab sellel toimuda teise, vähem energiat nõudva mehhanismi järgi.

Selle energia juurde tuleme hiljem tagasi. Praegu aga vaatame, kas elevandi hambapasta valmistamine õnnestub, kui lisada vesinikperoksiidi lahusele kaaliumjodiidi. Tegelikult mitte, sest me lihtsalt ei näe reaktsiooni toimumist. Siin aitab hädast välja nõudepesuvahend. Tekkiv hapnik koos nõudepesuvahendiga tekitab hulgaliselt vahtu, mis voolab kiiresti üle mensuuri ääre … Või ei voola.

Kui veidi katsetada, siis selgub, et mida kangemat vesinikperoksiidi lahust kasutame, seda kiiremini ja rohkem vahtu tekib ehk seda kiiremini reaktsioon toimub.

Reaktsioon kiireneb lähteainete kontsentratsiooni ja rõhu suurendamisel (gaasiline lähtaine), kuumutamisel, segamisel, peenestamisel ja katalüsaatori osalemisel.

Gaaside puhul tähendab suurem kontsentratsioon kõrgemat rõhku, seega rõhu suurenedes toimub reaktsioon kiiremini.

Kui reaktsioonisegu soojendada, siis reaktsioon samuti kiireneks. Reaktsioon toimub seda kiiremini, mida kõrgem on temperatuur.

Reaktsiooni kiirust mõjutavad veel ainete segamine ja lähteainete peenestamine. Ainete segamisel jagunevad osakesed reaktsioonisegus ühtlasemalt, osakeste põrkumine toimub seetõttu sagedamini ja reaktsiooni kiirus kasvab.  Peenestamisel ainete kokkupuutepind suureneb, reaktsioon saab toimuda ühtlasemalt ja kiiremini.

Kokkuvõte teguritest, mis mõjutavad reaktsiooni kiirust:

• Reaktsiooni kiirus kasvab lähteainete kontsentratsiooni suurendamisel.
• Gaasiliste ainete korral rõhu suurendamisel reaktsiooni kiirus suureneb.
• Reaktsioon toimub seda kiiremini, mida kõrgem on temperatuur.
• Reaktsiooni kiirus kasvab veel reaktsioonisegu segamisel ja lähteainete peenestamisel.
• Katalüsaatori juuresolekul reaktsiooni kiirus suureneb.