Kadar Tindak Balas dan Perlanggaran Zarah

Petasan meletup dalam sekelip mata, tetapi paku besi yang ditinggalkan di luar rumah mengambil masa berminggu-minggu atau berbulan-bulan untuk berkarat. Kedua-duanya ialah tindak balas kimia, namun kelajuannya sangat berbeza. Ukuran kelajuan ini dipanggil kadar tindak balas, iaitu perubahan kuantiti bahan tindak balas atau produk dalam suatu selang masa. Kuantiti itu boleh berupa jisim, isi padu gas atau kepekatan, bergantung pada apa yang mudah diukur dalam eksperimen.

Bagaimana kadar tindak balas diukur?

Kadar purata dikira dengan membahagikan perubahan kuantiti dengan masa yang diambil. Sebagai contoh, jika 40 cm³ gas karbon dioksida dikumpulkan dalam 80 saat, kadar purata ialah 40 dibahagi 80, iaitu 0.5 cm³ setiap saat. Pada permulaan tindak balas, bahan tindak balas masih banyak, jadi gas biasanya terkumpul lebih cepat. Apabila bahan tindak balas semakin berkurang, kadar semakin perlahan, sehingga tindak balas tamat.

Perlanggaran yang membawa kepada tindak balas

Bagi banyak tindak balas, zarah bahan tindak balas perlu bertemu sebelum ikatan dapat berubah. Penjelasan ini dipanggil teori perlanggaran. Namun, bukan setiap perlanggaran menghasilkan produk. Sebuah perlanggaran hanya menjadi perlanggaran berkesan jika dua syarat dipenuhi. Pertama, zarah mesti berlanggar dengan tenaga yang sekurang-kurangnya sama dengan tenaga pengaktifan, iaitu tenaga minimum yang diperlukan untuk memulakan tindak balas. Kedua, bagi tindak balas tertentu, zarah mesti berlanggar dalam orientasi yang sesuai. Jika zarah hanya berlanggar lemah atau pada bahagian yang salah, ia memantul tanpa membentuk produk.

Faktor yang mengubah kadar tindak balas

Dalam model perlanggaran, setiap faktor mengubah bilangan perlanggaran berkesan dalam setiap saat. Apabila kepekatan larutan bertambah, lebih banyak zarah hadir dalam isi padu yang sama, jadi zarah lebih kerap bertemu. Untuk gas, menambah tekanan memberi kesan yang serupa. Hubungan tepat antara kepekatan dengan kadar bergantung pada mekanisme tindak balas, jadi kadar tidak semestinya bertambah mengikut nisbah yang sama bagi setiap tindak balas.

Tiga contoh perlanggaran antara dua zarah. Jika tenaga tidak mencukupi atau orientasi tidak sesuai, perlanggaran tidak berkesan dan tiada tindak balas ditunjukkan. Dalam contoh ketiga, tenaga mencukupi dan orientasi sesuai lalu produk terbentuk. Anak panah yang lebih panjang menunjukkan tenaga kinetik yang lebih tinggi. Model ilustrasi, bukan ukuran.

Bagi tindak balas yang melibatkan pepejal, memecahkan pepejal kepada serbuk menambah luas permukaan yang terdedah kepada zarah lain. Lebih banyak tapak sentuhan tersedia, jadi lebih banyak perlanggaran berkesan berlaku dalam setiap saat. Zarah pepejal tidak menjadi lebih reaktif secara kimia; yang bertambah ialah kawasan tempat tindak balas boleh berlaku. Itulah sebab kayu api yang dibelah kecil lebih cepat menyala daripada kayu balak yang besar.

Suhu pula mengubah tenaga zarah. Pada suhu tertentu, zarah dalam sampel yang sama tidak mempunyai tenaga yang sama, ada yang bergerak perlahan dan ada yang sangat laju. Apabila suhu meningkat, purata tenaga kinetik zarah meningkat dan bahagian zarah yang mempunyai tenaga sekurang-kurangnya sama dengan tenaga pengaktifan bertambah besar. Oleh itu, tindak balas lazimnya menjadi lebih cepat, walaupun kesan sebenar bergantung pada tindak balas dan julat suhu yang dikaji.

Mangkin menyediakan laluan lain

Mangkin (juga disebut pemangkin) meningkatkan kadar tindak balas dengan menyediakan laluan tindak balas alternatif yang mempunyai tenaga pengaktifan lebih rendah. Dengan penghalang yang lebih rendah, lebih banyak perlanggaran mempunyai tenaga yang mencukupi untuk menghasilkan produk. Mangkin terlibat dalam langkah tindak balas tetapi dijana semula, maka ia tidak habis digunakan secara keseluruhan. Mangkin mempercepat tindak balas tanpa mengubah perubahan tenaga keseluruhan antara bahan tindak balas dengan produk.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Bagaimana kita tahu?

Pemerhatian
Perlanggaran zarah tidak dapat dilihat, tetapi kadar tindak balas boleh diukur. Dalam satu eksperimen yang lazim di sekolah, natrium tiosulfat dicampurkan dengan asid dan campuran menjadi keruh kerana mendakan sulfur terbentuk. Masa yang diambil sehingga tanda silang di bawah bikar tidak lagi kelihatan diukur pada suhu atau kepekatan yang berbeza.
Bukti
Apabila eksperimen diulang dengan suhu yang lebih tinggi, kepekatan yang lebih tinggi atau pepejal yang lebih halus, masa yang diambil lazimnya lebih singkat. Pengukuran lain, seperti isi padu gas yang terkumpul terhadap masa, menghasilkan lengkung yang boleh dibandingkan antara keadaan yang berbeza.
Inferens
Corak ini konsisten dengan model bahawa perubahan keadaan mengubah bilangan perlanggaran berkesan, iaitu perlanggaran yang mempunyai tenaga dan orientasi yang sesuai. Data kadar sahaja tidak membuktikan model itu, tetapi model itu dapat menerangkan banyak corak yang diperhatikan.
Model
Persamaan yang dicadangkan oleh Svante Arrhenius pada 1889 menghubungkan suhu, tenaga pengaktifan dan kadar tindak balas, dan teori perlanggaran menerangkan hubungan itu pada peringkat zarah dalam banyak tindak balas.
Batasan
Teori perlanggaran ialah model yang berguna, tetapi mekanisme tindak balas sebenar boleh melibatkan beberapa langkah dan bahan perantara. Kadar tidak selalu dapat diramal daripada kiraan perlanggaran yang mudah.

Aktiviti

Bahan

Tiga tablet berbuih yang sama jenis (contohnya tablet vitamin C berbuih)
Tiga gelas lutsinar yang sama saiz
Air paip sejuk
Air suam yang dituang oleh orang dewasa
Sudu dan sehelai kertas untuk menghancurkan satu tablet
Jam atau telefon untuk mengukur masa

Langkah

Minta orang dewasa menuang air sejuk ke dalam dua gelas dan air suam ke dalam satu gelas, dengan isi padu yang sama banyak.
Masukkan satu tablet utuh ke dalam gelas air sejuk dan satu tablet utuh ke dalam gelas air suam pada saat yang sama. Catat masa sehingga gelembung berhenti terbentuk dalam setiap gelas.
Letakkan sebiji tablet ketiga di dalam lipatan kertas, kemudian hancurkannya dengan belakang sudu. Masukkan serbuk tablet ke dalam gelas air sejuk yang kedua dan catat masa sehingga gelembung berhenti.
Bandingkan ketiga-tiga masa. Jika perbezaannya kecil, ulang dengan tablet baharu supaya keputusan lebih meyakinkan.

Perhatikan

Bandingkan sama ada tablet dalam air suam dan tablet yang dihancurkan habis bergelembung lebih cepat daripada tablet utuh dalam air sejuk. Aktiviti ini menunjukkan bahawa suhu dan luas permukaan mempengaruhi kadar tindak balas ini. Ia tidak membuktikan teori perlanggaran secara langsung, kerana teori itu ialah penjelasan tentang sebab yang tidak dapat dilihat.

Keselamatan

Air suam mesti dituang oleh orang dewasa dan tidak perlu mendidih. Jangan minum air campuran itu dan jangan hidu serbuk tablet yang dihancurkan. Tablet mengandungi bahan aktif, jadi simpan jauh daripada kanak-kanak kecil. Lap tumpahan dan basuh tangan selepas aktiviti.

Uji KefahamanSoalan 1 daripada 3

Mengapakah peningkatan suhu lazimnya mempercepat tindak balas kimia?