Het botsingsmodel ter verklaring van de reactiesnelheid
Blok 1: Introductie van het botsingsmodel
Definitie
Het botsingsmodel is een theoretisch kader in de chemie dat de reactiesnelheid van een chemische reactie verklaart door te focussen op het gedrag van de reagerende deeltjes. Volgens het botsingsmodel kunnen chemische reacties slechts plaatsvinden wanneer de betrokken deeltjes (atomen, ionen of moleculen) daadwerkelijk met elkaar in botsing komen. Niet elke botsing leidt echter tot een chemische reactie. Enkel botsingen waarbij voldoende energie wordt uitgewisseld én die correct georiënteerd plaatsvinden, kunnen een chemische omzetting veroorzaken. Dergelijke botsingen worden effectieve botsingen genoemd.
Belangrijke concepten
Een chemische reactie ontstaat niet automatisch als gevolg van simpelweg het samenbrengen van reagentia. Het botsingsmodel onderscheidt alle botsingen (waarbij deeltjes elkaar treffen, zonder oog voor verdere voorwaarden) van effectieve botsingen (botsingen die aan de voorwaarden voldoen om tot een reactie te leiden). Hiervoor zijn twee kernvereisten:
De botsing moet krachtig genoeg zijn: De betrokken deeltjes moeten over een minimale hoeveelheid kinetische energie beschikken. Die energie – de activeringsenergie – is nodig om de bestaande bindingen te verbreken en nieuwe te vormen.
De oriëntatie van de botsende deeltjes moet gunstig zijn: Zelfs als de kinetische energie hoog genoeg is, leidt een ongunstige oriëntatie (bijvoorbeeld als functionele groepen elkaar niet goed kunnen raken) niet tot een reactie.
In een macroscopisch reactiemengsel vinden per seconde miljarden botsingen plaats, maar slechts een klein percentage is effectief: dat wil zeggen, ze hebben precies de juiste hoeveelheid energie én oriëntatie om een reactie op te starten.
Formules en berekeningen
Het botsingsmodel wordt kwantitatief beschreven aan de hand van de botsingsfrequentie en het percentage effectieve botsingen. De reactietemperatuur, het energieniveau van deeltjes en geometrische factoren worden hierin verwerkt. De reactiesnelheid [INLINE EQUATION]v[/INLINE EQUATION] kan volgens het botsingsmodel kwalitatief worden geschreven als:
[BLOCK EQUATION]v = Z \cdot f \cdot p[/BLOCK EQUATION]waarbij:
[INLINE EQUATION]Z[/INLINE EQUATION] = het totale aantal botsingen per tijdseenheid
[INLINE EQUATION]f[/INLINE EQUATION] = fractie van botsingen met voldoende energie (gehanteerd in Arrhenius-theorie als [INLINE EQUATION]e^{-\frac{E_a}{RT}}[/INLINE EQUATION])
[INLINE EQUATION]p[/INLINE EQUATION] = fractie van botsingen met correcte oriëntatie (sterk afhankelijk van de molecule-structuur)
Bij complexe reacties komt het er dus op neer hoe groot de fractie effectieve botsingen is ten opzichte van het totaal aantal botsingen.
Praktijkvoorbeelden
Voorbeeld 1: Reactie tussen waterstofgas en chloorgas Beschouw de reactie [INLINE EQUATION]H_2(g) + Cl_2(g) \rightarrow 2HCl(g)[/INLINE EQUATION]. Ondanks de hoge aantallen botsingen per seconde tussen de verschillende moleculen, vindt slechts een klein deel van de botsingen plaats met de vereiste energie en oriëntatie. Door een lamp met ultraviolet licht te laten schijnen op het reactiemengsel, verhoogt men de energie van de deeltjes, waardoor het aantal effectieve botsingen stijgt en de reactiesnelheid toeneemt.
Voorbeeld 2: Ontleding van ammoniak op een platina-katalysator Bij de ontleding van ammoniak aan het oppervlak van een platina-katalysator, vinden botsingen plaats tussen ammoniakmoleculen en het metaaloppervlak. Alleen ammoniakmoleculen die het oppervlak met voldoende kinetische energie en juiste oriëntatie raken, worden geadsorbeerd en ontleden. Ondanks voortdurende botsingen met het oppervlak, leidt slechts een fractie ervan tot daadwerkelijke reactie – de rest zijn ineffectieve botsingen.
Veel gemaakte fouten
Veronderstellen dat elke botsing tot een reactie leidt: Studenten vergeten vaak het belang van oriëntatie en minimale activeringsenergie, waardoor ze het aantal effectieve botsingen overschatten.
Verwarren van totale botsingsfrequentie met effectieve botsingsfrequentie: Men berekent dikwijls alleen het aantal botsingen per seconde, zonder rekening te houden met de fractie effectieve botsingen die bepalend is voor de reactiesnelheid.
Geen onderscheid maken tussen macro- en microschaal: Het niet beseffen dat de waargenomen reactiesnelheid een direct gevolg is van het (relatief kleine) aantal effectieve botsingen op microscopisch niveau.
Blok 2: Factoren die het aantal effectieve botsingen beïnvloeden
Definitie
Het aantal effectieve botsingen in een chemisch systeem wordt rechtstreeks beïnvloed door verschillende fysische omstandigheden. Drie hoofdparameters bepalen het succespercentage per tijdseenheid: de concentratie van de reagerende stoffen, het contactoppervlak of de verdelingsgraad van vaste stoffen, en de temperatuur van het systeem.
Belangrijke concepten
Invloed van concentratie: Een hogere concentratie van deeltjes in een oplossing of een gasvormig systeem zorgt ervoor dat er meer deeltjes per volume-eenheid beschikbaar zijn. Hierdoor stijgt de kans op een botsing per tijdseenheid. Omdat alleen botsingen kunnen resulteren in effectieve (reagerende) botsingen, leidt een toename van de concentratie direct tot meer effectieve botsingen.
Invloed van contactoppervlak/verdelingsgraad: Bij reacties tussen een vaste stof en een vloeistof of gas is het reactieve contactoppervlak cruciaal. Een fijnverdeelde vaste stof heeft een veel groter contactoppervlak dan één grote brok. Het splitsen van een vaste stof in kleinere deeltjes verhoogt het totale beschikbare oppervlak aanzienlijk, waardoor meer botsingen tussen reagentia en het vaste oppervlak mogelijk worden en dus ook meer effectieve botsingen per tijdseenheid plaatsvinden.
Invloed van temperatuur: Wanneer de temperatuur stijgt, neemt de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes toe volgens de Maxwell-Boltzmannverdeling. Dit betekent niet alleen dat er méér botsingen per seconde optreden (omdat de deeltjes sneller bewegen), maar – vooral relevant – dat een groter percentage botsingen voldoende energie bezit om de activeringsenergie te overschrijden. Dit resulteert in een aanzienlijke toename van het aantal effectieve botsingen.