12.2 Þættir sem hafa áhrif á hvarfahraða

Hraði þess að hvarfefni eyðast og myndefni myndast í efnahvörfum er mjög breytilegur. Í þessum kafla verður fjallað um fimm þætti sem jafnan hafa áhrif á hraða efnahvarfa: eðli hvarfefnanna, skiptingu þeirra (eitt stórt stykki samanborið við margar smáar agnir), hitastig hvarfefnanna, styrk þeirra og tilvist hvata.

Eðli hvarfefnanna

Hvarfhraði ræðst af eðli þeirra efna sem taka þátt í hvarfinu. Efnahvörf sem virðast svipuð geta haft mismunandi hraða við sömu aðstæður, eftir því hvaða hvarfefni eiga í hlut. Þegar til dæmis litlir bitar af málmunum járni og natríum komast í snertingu við loft, hvarfast natríum að fullu við loftið á einni nóttu, en járnið verður varla fyrir áhrifum. Hvarfgjörnu málmarnir kalsíum og natríum hvarfast báðir við vatn og mynda vetnisgas og basa. Kalsíum hvarfast þó með hóflegum hraða, en natríum hvarfast svo hratt að hvarfið er nánast sprengifimt.

Eðlisástand hvarfefnanna

Efnahvarf milli tveggja eða fleiri efna krefst náinnar snertingar hvarfefnanna. Þegar hvarfefni eru í mismunandi eðlisástandi, eða fösum (fast efni, vökvi, gas eða uppleyst efni), á hvarfið sér aðeins stað á snertifleti fasanna. Lítum á misleitt efnahvarf milli fasts fasa og annaðhvort vökvafasa eða gasfasa. Í samanburði við hvarfhraða stórra fastra agna er hraðinn meiri fyrir smærri agnir, vegna þess að stærra yfirborðsflatarmál er í snertingu við hinn fasann. Til dæmis hvarfast stórir járnbitar hægar við sýrur en fíngert járnduft (mynd 12.6). Stórir viðardrumbar glóa, smærri spýtur brenna hratt og sag getur brunnið með sprengikrafti.

Hitastig hvarfefnanna

Efnahvörf gerast venjulega hraðar við hærra hitastig. Matur getur skemmst fljótt ef hann er skilinn eftir á eldhúsborðinu. Hins vegar hægir lægra hitastig inni í ísskáp á því ferli þannig að sami matur helst ferskur í marga daga. Á rannsóknarstofum er oft notast við gasbrennara, hitaplötur og ofna til að hraða hvörfum sem ganga hægt við venjulegt hitastig. Í mörgum efnaferlum tvöfaldast hvarfhraðinn um það bil þegar hitastigið er hækkað um 10 °C.

Styrkur hvarfefnanna

Hraði margra hvarfa er háður styrk hvarfefnanna. Hraðinn eykst venjulega þegar styrkur eins eða fleiri hvarfefna eykst. Til dæmis skemmist kalsíumkarbónat (CaCO₃) vegna hvarfs þess við mengunarvaldinn brennisteinstvíoxíð. Hraði þessa hvarfs er háður magni brennisteinstvíoxíðs í loftinu (mynd 12.7). Brennisteinstvíoxíð er súrt oxíð og sameinast vatnsgufu í loftinu og myndar brennisteinssýrling í eftirfarandi hvarfi:

Kalsíumkarbónat hvarfast við brennisteinssýrling á eftirfarandi hátt:

Í menguðu andrúmslofti, þar sem styrkur brennisteinstvíoxíðs er hár, skemmist kalsíumkarbónat hraðar en í minna menguðu lofti. Á sama hátt brennur fosfór mun hraðar í hreinu súrefni en í lofti, sem inniheldur aðeins um 20% súrefni.

Tilvist hvata

Tiltölulega þunnar vatnslausnir vetnisperoxíðs (H₂O₂) eru gjarnan notaðar sem útvortis sótthreinsiefni. Vetnisperoxíð brotnar niður og myndar vatn og súrefnisgas samkvæmt jöfnunni:

Við venjulegar aðstæður á þetta niðurbrot sér stað mjög hægt. Þegar þunnri H₂O₂(aq)-lausn er hins vegar hellt í opið sár gerist efnahvarfið hratt og lausnin freyðir vegna mikillar myndunar súrefnisgass. Þessi mikli munur stafar af tilvist efna í berskjölduðum vefjum sársins sem flýta fyrir niðurbrotsferlinu. Efni sem auka hvarfhraða kallast hvatar og fjallað er nánar um þá síðar í þessum kafla.