Hoe beïnvloedt concentratie de reactiesnelheid?

De reactiesnelheid is de snelheid waarmee beginstoffen worden omgezet in reactieproducten. Een belangrijke factor die deze snelheid beïnvloedt, is de concentratie van de beginstoffen.

Wanneer de concentratie van een stof toeneemt, zijn er meer deeltjes van die stof aanwezig in hetzelfde volume. Dit leidt tot een grotere kans op botsingen tussen de reactieve deeltjes. Meer botsingen betekent ook een grotere kans op effectieve botsingen, dat wil zeggen botsingen met voldoende energie en de juiste oriëntatie om een reactie te veroorzaken. Hierdoor verhoogt een hogere concentratie de reactiesnelheid.

Deze relatie kan ook kwantitatief worden beschreven met de reactiesnelheidsvergelijking (of snelheidsvergelijking).

Voor een algemene reactie: $aA + bB \rightarrow cC + dD$

De reactiesnelheid ($S$) kan worden uitgedrukt als: $S = k \cdot [A]^x \cdot [B]^y$

Hierin is:

• $S$ de reactiesnelheid.
• $k$ de reactiesnelheidsconstante, een waarde die aangeeft hoe snel een reactie bij een bepaalde temperatuur verloopt, onafhankelijk van de concentraties.
• $[A]$ en $[B]$ de concentraties van de beginstoffen A en B, meestal uitgedrukt in mol per liter (mol/L).
• $x$ en $y$ de reactieordes voor respectievelijk stof A en stof B. Dit zijn experimenteel bepaalde exponenten die aangeven hoe sterk de reactiesnelheid afhangt van de concentratie van die specifieke stof. Ze zijn niet noodzakelijk gelijk aan de stoichiometrische coëfficiënten ($a$ en $b$) in de reactievergelijking.

Voorbeeld: Neem de reactie waarbij stikstofdioxide ($NO_2$) wordt gevormd uit stikstofmonoxide ($NO$) en zuurstof ($O_2$): $2 NO + O_2 \rightarrow 2 NO_2$

De reactiesnelheid ($S$) voor deze specifieke reactie is experimenteel bepaald als: $S = k \cdot [NO]^2 \cdot [O_2]^1$

Dit betekent dat:

• De reactieorde voor $NO$ is 2. Als de concentratie van $NO$ verdubbelt, terwijl de concentratie van $O_2$ constant blijft, wordt de reactiesnelheid $2^2 = 4$ keer zo groot.
• De reactieorde voor $O_2$ is 1. Als de concentratie van $O_2$ verdubbelt, terwijl de concentratie van $NO$ constant blijft, wordt de reactiesnelheid $2^1 = 2$ keer zo groot.

Scenario-voorbeeld: Stel, je voert een experiment uit naar de vorming van stikstofdioxide uit stikstofmonoxide en zuurstof. Tussen meting 1.1 en meting 1.3 wordt de concentratie van stikstofmonoxide ($NO$) verdubbeld, terwijl de concentratie zuurstof ($O_2$) constant wordt gehouden.

Volgens de snelheidsvergelijking $S = k \cdot [NO]^2 \cdot [O_2]^1$: Als $[NO]$ verdubbelt (bijvoorbeeld van $X$ naar $2X$) en $[O_2]$ constant blijft, dan wordt de nieuwe snelheid: $S_{nieuw} = k \cdot (2X)^2 \cdot [O_2]^1 = k \cdot 4X^2 \cdot [O_2]^1 = 4 \cdot (k \cdot X^2 \cdot [O_2]^1) = 4 \cdot S_{oud}$

De reactiesnelheid zal dus 4 keer zo groot worden. Dit komt doordat de reactieorde voor $NO$ gelijk is aan 2, wat betekent dat de snelheid kwadratisch afhankelijk is van de concentratie van $NO$.