Het bepalen van de invloed van de temperatuur op de reactiesnelheid van Alka-Seltzer in water met behulp van temperatuur en tijdsmetingen.

De reactiesnelheid is de tijd benodigd voor een hoeveelheid reactanten om omgezet te worden in een product. De reactiesnelheid wordt door vele factoren bepaald waaronder de aard van de reactanten, hun concentratie, de temperatuur, katalysator aan- of afwezigheid en de druk (indien gassen een rol spelen).

Alka-Seltzer tabletten bevatten warmtebehandelde natrium bicarbonaat, citroenzuur and een salicylaat. In water vindt dan de volgende reactie plaats:

3NaHCO_3(s) + H₃C₆H₅O_7(s) + H₂O_(l) à C₆H₅O₇Na_3(aq) + 4H₂O_(l) + 2CO_2(g)

Aangezien het CO₂ uit het water ontwijkt is het geen evenwichtsreactie maar een reactie van het type Aà B.

1. Voeg 100 ml water toe aan een bekerglas van 250 ml en meet de temperatuur.
2. Voeg een Alka-Seltzer tablet toe en meet hoe lang de reactie duurt.
3. Maak het bekerglas schoon en herhaal deze meting bij verschillende watertemperaturen. Let erop steeds hetzelfde volume water te gebruiken.

Berekeningen in zipped excelfile: seltzer.zip

Zoals te zien aan de resultaten zijn deze niet erg mooi. De spreiding in resultaten is groter dan we in de literatuur vinden, alhoewel daarvoor natuurlijk de aloude publicatie regel van "only the best results are shown" kan gelden. De spreiding kan ook veroorzaakt worden doordat de experimenten over verschillende dagen verspreid zijn uitgevoerd. Het is mogelijk dat als we omgevingstemperatuur en watervolume iets beter constant houden de meetresultaten  reproduceerbaarder worden. Nog mooier zou het zijn om een eenduidig eindpunt te kunnen definiëren.
Dus: dit experiment overdoen met een beter gedefinieerd eindpunt van de reactie.

Volgens de literatuur liggen de waardes van de activeringsenergie van reacties in oplossingen tussen de 8 en 150 kJ/mol.

In eerdere experimenten⁽²⁾ zijn de volgende waardes voor de verschillende soorten bruistabletten gevonden:

• Het meest lastige in dit experiment is te bepalen wanneer de reactie is afgelopen. Men kan zowel timen op het stoppen van de bruis of op het volledig opgelost zijn van het tablet. Beide methoden zijn mogelijk zolang men maar consistent is.
• Naast Alka-Seltzer kan men natuurlijk ook andere bruis tabletten gebruiken voor dit experiment, bv. Aspro Bruis.
• Andere factoren die invloed kunnen uitoefenen op de reactiesnelheid zijn bv tabletoppervlakte, water volume, water zuiverheid, etc. Deze factoren kunnen dus ook onderzocht worden.
• Een van de aannames in dit experiment is dat de tabletten dezelfde massa hebben, hetgeen niet gecontroleerd is. We vertrouwen hierbij op de moderne productiemethoden die geen groot verschil in gewicht toelaten.

• Valerie Ludwig Lechtanski; Inquiry-based Experiments in Chemistry; Oxford University Press; 2000; ISBN 0814235708; p. 97-103.
• DJO Aarde & Kosmos; Jan van den Broek & Gerard Stout; Een bruisend Experiment; 7 (13) 1986; p. 707-709.
• A. M. Sarquis en L. M. Woodward; Alka Seltzer Poppers: An Interactive Exploration; Journal of Chemical Education; 76(3); 1999; p. 385-
• Peter Atkins & Julio de Paula; Physical Chemistry; Freeman and Comp.; 2002; 7th Ed.; ISBN 0716735393; p. 879-881.
• J.C. Mol; Catalysis Theory and Applications; Syllabus Department of Chemical Engineering, University of Amsterdam; 1993; p. 70-81.

Relevante websites:

Andere experimenten met Alka-Seltzer tabletten:

De Arrheniusvergelijking:

met:

k = reaktiesnelheidskonstante
A = evenredigheidskonstante (wordt experimenteel bepaald)
R = gasconstante (8.314 Joule.mol^-1.K^-1)
E_a = activeringsenergie (Joule.mol^-1)
T = temperatuur (K)

Dat de verhoging van de temperatuur een sterke versnellende invloed heeft op bijna alle chemische reakties is een feit uit de dagelijkse ervaring. Op dit principe is nl. het koken van ons eten gebaseerd. Zijn aardappelen bij 100 °C in ca. 20 min. gaar, bij 80°C zijn ze na uren nog hard.

Van 't Hoff gaf als regel, dat de reaktiesnelheid twee- tot driemaal stijgt bij verhoging van de temperatuur met 10 °C.

Aan de hand van experimentele gegevens stelde Arrhenius een formule op die de relatie tussen snelheidsconstante en temperatuur weergeeft:

waarin k de snelheidsconstante, T de temperatuur in Kelvin, E_a de activeringenergie, A de frequentiefactor of pre-exponentiële factor en R de gasconstante.

De evenwichtsconstante K van een reactie is afhankelijk van de reactieenthalpie DH en de absolute temperatuur. De isochoor van Van ’t Hoff (constant volume) geeft hiervoor:

K kunnen we ook schrijven als k₁/k_-1 (de k’s van de heengaande en teruggaande reactie) en DH kunnen we schrijven als E_a-E_a^’:

Arrhenius splitste bovenstaande in twee afzonderlijke vergelijkingen:

 en

In het algemeen geldt dan:

Een voor de hand liggende gedachte om de observatie van de temperatuurafhankelijkheid te verklaren is met de botsingstheorie. Is het aantal botsingen is nu ook verdubbeld? Volgens de kinetische gastheorie neemt het aantal botsingen bij een temperatuur verhoging van 10° slechts 1-1.5% toe (de evenredigheid van het botsingsgetal met Ö(T). Deze verklaring is dus niet afdoende.

Daarnaast speelt een ander probleem deze verklaring parten. Gebruiken we de kinetische gastheorie om het aantal botsingen per seconde (Z) te berekenen:

Z_n = ½ Ö (2 P d² n² v)

d  = diameter

n = aantal deeltjes per volume-eenheid

v = de gemiddelde snelheid

Voor de gemiddelde snelheid kan men afleiden:

M = molecuulmassa.

Dan krijgen we voor voor Z:

Dan zouden al snel  tot de conclusie komen dat, indien alle deeltjes bij een botsing reageren bij 1 bar en kamertemp de omzetting al na ca. 10^-8 s voor 99.9 % zou zijn verkopen (k=10¹¹).  Dit gegeven is niet conform het langzamer verloop die wij kennen.

Arrhenius loste dit probleem op door te veronderstellen dat slechts een deel van de reactiemoleculen daadwerkelijk actief is. Deze moleculen hebben een hogere  energie-inhoud, de activeringsenergie (voornamelijk in de vorm van trillingsenergie). Anders geformuleerd kunnen we stellen dat de activeringsenergie de minimale kinetische energie is die reactanten moeten hebben om producten te kunnen vormen.

Passen we de wet van Boltzmann toe dan formuleren we voor de fractie van het  aantal deeltjes met een energie groter dan E_a:

Het aantal moleculen dn/dt dat per tijdseenheid wordt omgezet zal nu gelijk zijn aan het product van dp/p en het botsingsgetal:

Deze formule is echter alleen geldig voor bimoleculaire reacties in de gasfase tussen gelijke moleculen.

We kunnen echter afleiden dat:

Vergelijken we deze formule met de Arrheniusformule dan geldt voor de pre-exponentiële factor A: