12.2 Þættir sem hafa áhrif á hvarfhraða

Hraðinn sem hvarfefni eyðast á og myndefni myndast við efnahvörf er mjög breytilegur. Fimm þættir sem venjulega hafa áhrif á hvarfhraða efnahvarfa verða kannaðir í þessum kafla: eðli hvarfefnanna, skiptingarástand (einn stór klumpur á móti mörgum litlum eindum) hvarfefnanna, hitastig hvarfefnanna, styrkur hvarfefnanna og tilvist hvata.

Eðli hvarfefnanna

Hvarfhraði fer eftir eðli efnanna sem taka þátt. Efnahvörf sem virðast svipuð geta haft mismunandi hraða við sömu aðstæður, allt eftir því hvaða hvarfefni eiga í hlut. Til dæmis, þegar litlir bitar af málmunum járni og natríum komast í snertingu við loft, hvarfast natríum að fullu við loftið á einni nóttu, á meðan járnið verður varla fyrir áhrifum. Virku málmarnir kalsíum og natríum hvarfast báðir við vatn og mynda vetnisgas og basa. Samt hvarfast kalsíum á meðalhraða, en natríum hvarfast svo hratt að efnahvarfið er næstum sprengifimt.

Ástand hvarfefnanna

Efnahvarf milli tveggja eða fleiri efna krefst náinnar snertingar milli hvarfefnanna. Þegar hvarfefni eru í mismunandi ástandi, eða fösum (fast efni, vökvi, gas, uppleyst), á efnahvarfið aðeins sér stað á mörkum fasanna. Lítum á misleitt efnahvarf milli fasts fasa og annaðhvort vökva- eða gasfasa. Í samanburði við hvarfhraða fyrir stórar eindir af föstu efni verður hraðinn fyrir smærri eindir meiri vegna þess að yfirborðsflatarmálið sem er í snertingu við hinn hvarfefnafasann er stærra. Til dæmis hvarfast stórir járnbitar hægar við sýrur en fíndeilt járnduft (Mynd 12.6). Stórir viðarbútar rjúka, smærri bitar brenna hratt og sag brennur með sprengikrafti.

This figure shows two photos labeled (a) and (b). Photo (a) shows the bottom of a test tube. The test tube is filled with a dark gas, and there is a dark substance and bubbles in the bottom. Photo (b) shows a rod and bubbles in a test tube similar to photo (a), but the gas in the test tube is not as dark. — Mynd 12.6 (a) Járnduft hvarfast hratt við þynnta saltsýru og myndar loftbólur af vetnisgasi: Fe(s) + HCl(aq) $\longrightarrow$ 2FeCl₂(aq) + 3H₂(g). (b) Járnnagli hvarfast hægar vegna þess að yfirborðsflatarmálið sem kemst í snertingu við sýruna er mun minna.

Hitastig hvarfefnanna

Efnahvörf eiga sér yfirleitt stað hraðar við hærra hitastig. Matur getur skemmst fljótt ef hann er skilinn eftir á eldhúsbekknum. Hins vegar hægir lægra hitastig inni í ísskáp á því ferli þannig að sami matur helst ferskur í marga daga. Gasbrennarar, hellur og ofnar eru oft notaðir á rannsóknarstofu til að auka hraða efnahvarfa sem ganga hægt við venjulegt hitastig. Fyrir mörg efnaferli tvöfaldast hvarfhraði nokkurn veginn þegar hitastigið er hækkað um 10 °C.

Styrkur hvarfefnanna

Hraði margra efnahvarfa fer eftir styrk hvarfefnanna. Hraði eykst yfirleitt þegar styrkur eins eða fleiri hvarfefna eykst. Til dæmis brotnar kalsíumkarbónat (CaCO₃) niður vegna efnahvarfs við mengunarefnið brennisteinsdíoxíð. Hraði þessa efnahvarfs fer eftir magni brennisteinsdíoxíðs í loftinu (Mynd 12.7). Brennisteinsdíoxíð er súrt oxíð og sameinast vatnsgufu í loftinu og myndar brennisteinssýrling í eftirfarandi efnahvarfi:

{SO}_{2} (g) + H_{2} O(g) ⟶ H_{2} {SO}_{3} (a q)

Kalsíumkarbónat hvarfast við brennisteinssýrling á eftirfarandi hátt:

{CaCO}_{3} (s) + H_{2} {SO}_{3} (a q) ⟶ {CaSO}_{3} (a q) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O(l)

Í menguðu andrúmslofti þar sem styrkur brennisteinsdíoxíðs er hár, brotnar kalsíumkarbónat niður hraðar en í minna menguðu lofti. Á svipaðan hátt brennur fosfór mun hraðar í andrúmslofti af hreinu súrefni en í lofti, sem er aðeins um 20% súrefni.

A photograph is shown of an angel statue. While some details of the statue, including facial features, are present, effects of weathering appear to be diminishing these features. — Mynd 12.7 Styttur úr karbónatefnasamböndum eins og kalksteini og marmara veðrast venjulega hægt með tímanum vegna áhrifa vatns, varmaþenslu og samdráttar. Hins vegar geta mengunarefni eins og brennisteinsdíoxíð flýtt fyrir veðrun. Eftir því sem styrkur loftmengunarefna eykst, á niðurbrot kalksteins sér stað hraðar. (heimild: James P Fisher III)

Tilvist hvata

Nokkuð þynntar vatnslausnir af vetnisperoxíði, H₂O₂, eru almennt notaðar sem sótthreinsandi efni á húð. Vetnisperoxíð brotnar niður og gefur af sér vatn og súrefnisgas samkvæmt jöfnunni:

2 H_{2} O_{2} (aq) ⟶ 2 H_{2} O (l) + O_{2} (g)

Við venjulegar aðstæður á þetta niðurbrot sér stað mjög hægt. Þegar þynntri H₂O₂(aq) er hellt á opið sár, á efnahvarfið sér hins vegar stað hratt og lausnin freyðir vegna kröftugrar myndunar súrefnisgass. Þessi stórkostlegi munur stafar af tilvist efna í berskjölduðum vefjum sársins sem flýta fyrir niðurbrotsferlinu. Efni sem auka hvarfhraða eru kölluð hvatar (e. catalysts), efni sem fjallað er nánar um síðar í þessum kafla.

Námsmarkmið