Τετάρτη 21 Μαρτίου 2018

Η επίδραση της επιφάνειας των στερεών στην ταχύτητα της αντίδρασης ( και κατ' επέκταση στην θέση της Χημικής Ισορροπίας )


Στον πρόσφατο ΠΜΔΧ ( Μάρτιος 2018 ) τέθηκε το παρακάτω ερώτημα ( ερώτημα #20 ):

 
Μα αυτήν την ευκαιρία, ας δούμε πως επηρεάζει η ποσότητα ενός στερεού αντιδρώντος την ταχύτητα μιας αντίδρασης.Το σχολικό βιβλίο αναφέρει ( σελ 78 )













Άρα ( σύμφωνα με το σχολικό βιβλίο ) εάν η προσθήκη του στερεού προκάλεί την αύξηση της επιφάνειας επαφής του, θα έχουμε αύξηση της ταχύτητας της αντίδρασης ενώ εάν η έκταση της επιφάνειας επαφής του στερεού παρέμεινε σταθερή, η ταχύτητα της αντίδρασης δεν θα μεταβληθεί.
Έτσι η αρχική ποσότητα ήταν «απλωμένη» όπως φαίνεται στην αριστερή εικόνα :

θα έπρεπε να αυξηθεί η ταχύτητα της αντίδρασης , 

ενώ εάν η αρχική ποσότητα ήταν «απλωμένη» όπως φαίνεται στην παρακάτω αριστερή εικόνα :

θα έπρεπε η ταχύτητα της αντίδρασης να παραμείνει σταθερή.

Όμως τα πράγματα δεν είναι ακριβώς έτσι και σε αυτό δεν φταίει κανείς παρά η κακή διατύπωση του σχολικού βιβλίου. Ας τα δούμε τα πράγματα από την αρχή δηλαδή ας δούμε πως επηρεάζει η ποσότητα ενός στερεού αντιδρώντος την ταχύτητα μιας αντίδρασης.
Ας πάμε στους αγαπημένους μου Ebbing και Gammon ( και συγκεκριμένα στην σελ 552 της έκτης έκδοσης )

«Η ταχύτητα αυξάνεται με αυξανόμενη επιφάνεια» άρα και Ε-G γράφουν το ίδιο με το σχολικό βιβλίο,
όμως
δύο σειρές πιο κάτω συμπληρώνει ( καθώς γενικεύουν μιλώντας τόσο για στερεά αντιδρώντα σώματα όσο και για την δράση στερεών καταλυτών )


«όσο μεγαλύτερη είναι η επιφάνεια ανά μονάδα όγκου , τόσο ταχύτερα γίνεται η αντίδραση»

το οποίο είναι εμφανώς κάτι το διαφορετικό από την αρχική διατύπωση ( που ταυτίζεται με αυτήν του σχολικού βιβλίου )
( το ίδιο κείμενα στα αγγλικά στο πρωτότυπο της 9ης έκδοσης )

Πόσο κοντά είναι η «επιφάνεια ανά μονάδα όγκου» με την «κατάτμηση» που έχουμε πιο γνώριμη ως έννοια ; Εκτιμώ πάρα πολύ κοντά.
Μεγάλη επιφάνεια ανά μονάδα όγκου σημαίνει και μεγάλη κατάτμηση . 

Σε αυτήν την περίπτωση η προσθήκη της νέας ποσότητας του στερεού δεν αλλάζει την ταχύτητα της αντίδρασης εάν δεν αλλάξει η κατάτμηση της προστιθέμενης ποσότητας.

ΥΓ#1 ... σωστή απάντηση η (α)

 ΥΓ#2 ... ίσως φάνηκα περισσότερο αυστηρός με το σχολικό βιβλίο από ότι έπρεπε. Σε πάρα πολλά βιβλίο Χημείας υπάρχει ανάλογη διατύπωση προσπερνώντας την έννοια της επιφάνειας ανά μονάδα όγκου.

Υγ#3… μου το «σφύριξε» ο Γιάννης Καλαμαράς. Εάν σε ένα κουβά με νερό προσθέσουμε ένα δισκίο αναβράζοντος ( ας πούμε Panadol ) αντιδραστηρίου , η ταχύτητα διάλυσης του θα ήταν μεγαλύτερη εάν είχαμε προσθέσει και άλλο ένα ;
Όχι βέβαια … η επιφάνεια θα είχε αυξηθεί αλλά η επιφάνεια ανά μονάδα όγκου θα έμενε ίδια.
Όσοι απαντούν ναι στην αύξηση της ταχύτητας διάλυσης θα πρέπει να προτείνουν και έναν μηχανισμό ειδοποίησης του 1ου δισκίου για την ύπαρξη άλλου ένα !!!

5 σχόλια:

  1. Η ταχύτητα διάλυσης του ενός δισκίου (και μόνο αυτού) δεν επηρεάζεται από την ύπαρξη άλλου δισκίου σε μεγάλο όγκο νερού. Όμως... αν θεωρήσεις την αντίδραση δισκίο + νερό --> CO2, η ποσότητα του παραγόμενου CO2 στη μονάδα του χρόνου διπλασιάζεται και επομένως η ταχύτητα της αντίδρασης δε διπλασιάζεται τελικά με το διπλασιασμό της επιφάνειας επαφής;

    Βιβή Γεωργίου

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  2. Καλησπέρα Βιβή ( αλήθεια που την ξέθαψες αυτήν την ανάρτηση !!! )

    Η ποσότητα του CO2 που ελευθερώνεται είναι σταθερή ανά μονάδα επιφάνειας που διαλύεται (στον ίδιο χρόνο ). Εκτιμώ λοιπόν ότι η χρήση του ορισμού της μέσης ταχύτητας στο παραπάνω παράδειγμα είναι λανθασμένη.

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  3. Καλησπέρα Αντώνη.
    Έτυχε να το δω και είναι κάτι που το ψάχνω γιατί το συζήτησα με μαθητή λίγο πιο προχωρημένο στη σκέψη και με αφορμή θέμα διαγωνισμού χημείας (το 14 από το διαγωνισμό του 2019): πότε και πώς παίζει ρόλο η ποσότητα και η επιφάνεια επαφής ενός στερεού.
    Στο θέμα του 2018 που αναφέρεις στην αρχή της ανάρτησης δε μιλάει για μέση ταχύτητα, αλλά για την αρχική (στιγμιαία) ταχύτητα. Στο παράδειγμα με το δισκίο η ποσότητα του CO2 που παράγεται ανά μονάδα χρόνου είναι διπλάσια, άρα διπλασιάζεται όχι μόνο η μέση αλλά και η στιγμιαία ταχύτητα. Ο ρυθμός παραγωγής του αερίου είναι διπλάσιος. Σκέψου την αντίστοιχη καμπύλη αντίδρασης: Στον ίδιο χρόνο παράγεται διπλάσια ποσότητα, άρα η κλίση της καμπύλης σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή είναι διπλάσια.
    Οπότε τίθεται (ξανά) το ερώτημα... η ταχύτητα (αρχική, στιγμιαία κάποια άλλη στιγμή ή μέση) δεν είναι διπλάσια;
    (Σχετικά με το ότι η ποσότητα του CO2 που ελευθερώνεται είναι σταθερή ανά μονάδα επιφάνειας, γι’αυτό η ταχύτητα διάλυσης ανά δισκίο παραμένει ίδια.)

    Βιβή

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  4. Βιβή , η μελέτη του φαινομένου αφορά την ταχύτητα με την οποία μόρια της ουσίας Α μετατρέπονται σε μόρια της ουσίας Β. Τα μαθηματικά μας κάνουν λάθος εάν για το παραπάνω φαινόμενο δίνουν διπλάσιο αποτέλεσμα.

    Ξέρω ότι ακούγεται κάπως το παραπάνω αλλά αυτή είναι ( εκτιμώ ) η αλήθεια. Η ταχύτητα δεν διπλασιάστηκε γιατί επιταχύνθηκε η μετατροπή των μορίων της ουσίας Α σε μόρια της ουσίας Β. Είναι λάθος δηλαδή η σύνδεση της μεταβολής της συγκέντρωσης του προϊόντος με την ταχύτητα μετατροπής των μορίων ουσίας Α σε μόρια ουσίας Β.


    Δεν ξέρω εάν βοήθησα ... ( ή εάν έχω καταλάβει σωστά )

    ΥΓ Δεν ξέρω εάν βοηθά την συζήτηση αλλά αυτή η θέση υποστηρίχθηκε και από τους πανεπιστημιακούς που ήταν παρόντες στην θεματοδοσία του ΜΠΔΧ του 2018 ( είχα τρεις δικούς "μου" στην επιτροπή που μου μετέφεραν την θέση τους ... γιατί ΚΑΙ στην θεματοδοσία υπήρχε διαφωνία )

    ΑπάντησηΔιαγραφή
  5. Το θέμα είναι ότι η ταχύτητα μιας αντίδρασης υπάρχει ως μέγεθος και είναι (όπως ορίζει το σχολικό βιβλίο) ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης (ή των mol αν δεν είναι δυνατός ο προσδιορισμός της συγκέντρωσης, όπως αναφέρει η IUPAC) ενός σώματος (με στοιχειομετρικό συντελεστή τη μονάδα).
    Άρα, τα μαθηματικά σαφώς τα χρησιμοποιούμε στον προσδιορισμό της ταχύτητας του φαινομένου της μετατροπής του Α στο Β, η οποία ταχύτητα είναι ένα μετρήσιμο μέγεθος, και δεν κάνουν λάθος. Και επειδή ο αριθμός των μορίων είναι ανάλογος των mol και ανάλογος της C, η ταχύτητα με την οποία μόρια της ουσίας Α μετατρέπονται σε μόρια της ουσίας Β είναι ανάλογη του αριθμού των μορίων-mol-C της ουσίας Α που μετατρέπονται σε μόρια-mol-C Β στη μονάδα του χρόνου. Και όταν αντιδρούν περισσότερα μόρια στη μονάδα του χρόνου (και στον ίδιο όγκο) η ταχύτητα αυξάνεται.
    Τώρα στην αντίδραση με το δισκίο... όταν έχουμε 2 δισκία ο αριθμός των μορίων του Α που μετατρέπονται σε Β στη μονάδα του χρόνου είναι διπλάσιος από όταν έχουμε 1 δισκίο, γιατί απλά στο διάλυμα υπάρχουν 2 δισκία που αντιδρούν ταυτόχρονα. Η ταχύτητα όπως ορίζεται ως μέγεθος (κανονικά και με το νόμο της IUPAC) διπλασιάζεται, είτε το θέλουμε είτε όχι (κοινώς είτε μας συμφέρει είτε όχι) Και ο λόγος είναι ότι διπλασιάζεται η επιφάνεια επαφής (θεωρούμε ότι το δισκίο «αιωρείται» και αντιδρά με όλη του την κυλινδρική επιφάνεια). Έτσι απλά.
    Οπότε συνοψίζοντας: όταν η προσθήκη στερεού μεταβάλλει την επιφάνεια επαφής επηρεάζει την ταχύτητα. Την ταχύτητα που μετράμε με μέτρηση της συγκέντρωσης του προϊόντος που παράγεται ή του αντιδρώντος που αντιδρά με το στερεό και είναι διαλυμένο (πχ. Zn + 2HCl(aq) --> ZnCl2(aq) +Η2), γιατί αυτή είναι η ταχύτητα για την οποία μιλάμε στα βιβλία. Και μεταβάλλεται η ταχύτητα, γιατί μεταβάλλεται ο αριθμός των συνολικών και επομένως των αποτελεσματικών συγκρούσεων στη μονάδα του χρόνου (και όγκου).
    Όταν στις εκφωνήσεις αναφέρουμε ταχύτητα (μέση ή στιγμιαία) αναφέρουμε λοιπόν αυτή που ορίζει το σχολικό βιβλίο. Και επειδή το βιβλίο λέει ότι η προσθήκη στερεού δεν επηρεάζει την ταχύτητα ή την ισορροπία, το λέμε έτσι στους μαθητές για να μην μπερδευτούν και ψάχνουν κάτι παραπάνω. Αλλά μεταξύ μας επιστημονικά δεν είναι σωστό αυτό και το παράδειγμα με τα δισκία το επιβεβαιώνει. Η ταχύτητα ορίζεται ως ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης κάποιου από τα σώματα που συμμετέχουν στην αντίδραση και διπλασιάζεται όταν προσθέτουμε το 2ο δισκίο.
    Στο θέμα του 2018 αν ισχύει το πρώτο σχήμα που έχεις κάνει επηρεάζεται η ταχύτητα, αν ισχύει το δεύτερο σχήμα που έχεις κάνει τότε δεν επηρεάζεται η ταχύτητα. Καμιά φορά το ένστικτο και η πρώτη σκέψη δεν είναι λανθασμένη και μη βιάζεσαι να τη διορθώσεις... ;-)
    Όταν λες ότι αυτή ήταν και η άποψη των πανεπιστημιακών, φαντάζομαι εννοείς ότι δεν επηρεάζεται η ταχύτητα με την προσθήκη στερεού. Δεν ξέρω τι είπαν και τι εννοούσαν, αλλά το σίγουρο είναι ότι η ταχύτητα που ορίζεται στο βιβλίο (και ορίζει και η IUPAC) επηρεάζεται όταν επηρεάζεται η επιφάνεια επαφής.

    ΥΓ. Συγχαρητήρια και για τη σελίδα σου, που δε σου τα είπα εξαρχής, μια που έχουμε καιρό να μιλήσουμε.

    ΑπάντησηΔιαγραφή

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...