Chapter 5 · Section 7Textbook pages 103–106

Nature, Concentration and Surface Area അഭികാരകങ്ങളുടെ സ്വഭാവം · ഗാഢത · പ്രതലപരപ്പളവ്

Why does magnesium fizz in acid while copper sits still? Why does steel wool that only glows in air burst into sparks in pure oxygen? Why does marble powder react faster than a marble lump? This page takes the first three factors that control the rate of reaction രാസപ്രവർത്തനവേഗം. For each one you run a virtual lab and then explain the result with collision theory കൊളിഷൻ സിദ്ധാന്തം.

📖 What you need (pages 2 and 6 of this guide)
🔑 The question to ask for every factor

Does it change (a) how many collisions happen each second, or (b) what share of the collisions are effective? If either goes up, the rate goes up.

1. Nature of the reactants അഭികാരകങ്ങളുടെ സ്വഭാവം

അഭികാരകങ്ങളുടെ സ്വഭാവം രാസപ്രവർത്തന വേഗത്തെ എപ്രകാരമായിരിക്കും സ്വാധീനിക്കുക? നമുക്കൊരു പരീക്ഷണം ചെയ്തു നോക്കാം. How does the nature of the reactants affect the rate of reaction? Let us do an experiment.

മൂന്ന് ടെസ്റ്റ് ട്യൂബുകളിലായി തുല്യ വ്യാപ്തം നേർപ്പിച്ച ഹൈഡ്രോക്ലോറിക് ആസിഡ് എടുക്കുക. ഒരേ വലിപ്പമുള്ള കോപ്പർ (Cu), സിങ്ക് (Zn), മഗ്നീഷ്യം (Mg) എന്നിവയുടെ ഓരോ കഷണങ്ങൾ മൂന്ന് ടെസ്റ്റ് ട്യൂബുകളിലായി ഇടുക. നിരീക്ഷണം രേഖപ്പെടുത്തുക. Take equal volumes of dilute നേർപ്പിച്ച hydrochloric acid in three test tubes. Drop one piece each of copper (Cu), zinc (Zn) and magnesium (Mg), all the same size, into the three tubes. Record what you observe.

🏁 Virtual lab – the metal race (Cu, Zn, Mg in dilute HCl)

All three tubes have the same acid (same volume, same concentration, same temperature) and the pieces are the same size. Only one thing differs: the metal. The bubble counts are illustrative.

Observation, test tube 1 (copper):

Observation, test tube 2 (zinc):

Observation, test tube 3 (magnesium):

Q (page 103). ഏത് ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിലാണ് രാസപ്രവർത്തനവേഗം കൂടുതലുള്ളത്? In which test tube is the rate of reaction highest?

Test tube 3, magnesium. The order of the rates is Mg > Zn > Cu. Copper gives no reaction at all.
ഇവിടെ ഹൈഡ്രോക്ലോറിക് ആസിഡിന്റെ വ്യാപ്തവും ലോഹങ്ങളുടെ വലിപ്പവും തുല്യമായതിനാൽ കോപ്പർ, സിങ്ക്, മഗ്നീഷ്യം എന്നീ ലോഹങ്ങളുടെ സ്വഭാവത്തിലുള്ള സവിശേഷത കാരണമാണ് രാസപ്രവർത്തനവേഗം വ്യത്യാസപ്പെട്ടത് എന്ന് മനസ്സിലാക്കാം. The volume of acid and the size of the metal pieces were the same. So the rates differ only because of the nature of copper, zinc and magnesium.
💥 Collision theory: why the metal matters

In all three tubes the acid particles hit the metal surface about equally often. What differs is the share of collisions that are effective. Magnesium gives away its two outer electrons most easily, so even gentle collisions with the acid can turn it into Mg²⁺ and set hydrogen free. Many collisions are effective, and the rate is high. Zinc holds its electrons more firmly, so fewer collisions succeed and the rate is lower. Copper is less reactive than hydrogen. It cannot displace hydrogen from dilute HCl, so none of its collisions are effective.

? (page 103). സോഡിയം (Na) സാധാരണ താപനിലയിൽ ജലവുമായി തീവ്രമായി പ്രവർത്തിക്കുമ്പോൾ മഗ്നീഷ്യം വളരെ സാവധാനത്തിലാണ് ജലവുമായി പ്രവർത്തിക്കുന്നത്. എന്തുകൊണ്ട്? At ordinary temperature sodium (Na) reacts vigorously with water, but magnesium reacts with water only very slowly. Why?

⚠️ Sodium in water is a teacher demonstration only: a rice-grain-sized piece, a safety screen and goggles. It can catch fire and spit hot alkali. Never try it yourself.
Because of the nature of the reactants അഭികാരകങ്ങളുടെ സ്വഭാവം. Sodium (2, 8, 1) has only one outer electron and loses it very easily, so sodium is far more reactive than magnesium (2, 8, 2), which has to lose two electrons. With sodium almost every collision with a water molecule is effective. With magnesium very few are.
2Na + 2H₂O → 2NaOH + H₂↑ (fast, gives out heat) · Mg + 2H₂O → Mg(OH)₂ + H₂ (very slow in cold water).

2. Concentration of the reactants അഭികാരകങ്ങളുടെ ഗാഢത

രണ്ട് ടെസ്റ്റ് ട്യൂബുകളിലായി തുല്യ വ്യാപ്തം ഗാഢ ഹൈഡ്രോക്ലോറിക് ആസിഡ്, നേർപ്പിച്ച ഹൈഡ്രോക്ലോറിക് ആസിഡ് എന്നിവ എടുക്കുക. Take equal volumes of concentrated ഗാഢ and dilute നേർപ്പിച്ച hydrochloric acid in two test tubes.

⭐ Concentration (page 104)
യൂണിറ്റ് വ്യാപ്തത്തിലെ തന്മാത്രകളുടെ എണ്ണം ആണ് ഗാഢത.

The number of molecules in unit volume is the concentration ഗാഢത.

എങ്കിൽ, ഏത് ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിലാണ് യൂണിറ്റ് വ്യാപ്തത്തിൽ HCl തന്മാത്രകളുടെ എണ്ണം കൂടുതലുള്ളത്? Q (page 104). Then, in which test tube is the number of HCl molecules per unit volume greater?

⚠️ Concentrated hydrochloric acid is corrosive and gives off choking fumes. In this guide it is a virtual lab. In school only your teacher handles it, in a fume cupboard and with goggles and gloves.

രണ്ട് ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിലേക്കും തുല്യ മാസുള്ള മഗ്നീഷ്യം റിബൺ ഇടുക. ഓരോ ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിലും നടക്കുന്ന രാസപ്രവർത്തനത്തെക്കുറിച്ചുള്ള നിരീക്ഷണം രേഖപ്പെടുത്തുക. Put magnesium ribbon of equal mass into both test tubes (Fig 5.7). Record your observations for each tube.

🔬 Virtual lab – Fig 5.7: concentrated vs dilute HCl, with a particle zoom

Each zoom box is the same unit volume യൂണിറ്റ് വ്യാപ്തം of acid touching the ribbon. Red dots are acid particles. The grey floor is the magnesium surface. A yellow flash marks an effective collision, and each one sends hydrogen up the tube. Particle numbers and speeds are a model, not real values.

Q (page 104). ടെസ്റ്റ് ട്യൂബ് 1 ……… ടെസ്റ്റ് ട്യൂബ് 2 ……… രാസപ്രവർത്തനവേഗം ഏത് ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിൽ ആണ് കൂടുതലായിട്ടുള്ളത്? Write your observations for test tube 1 and test tube 2. In which test tube is the rate of reaction higher?

Test tube 1 (concentrated HCl): vigorous bubbling of hydrogen, the tube warms and the ribbon disappears quickly.
Test tube 2 (dilute HCl): slow bubbling, and the ribbon lasts much longer.
The rate is higher in test tube 1. Mg + 2HCl → MgCl₂ + H₂↑ in both. The reaction is the same, only the speed differs.
⭐ Why (page 104)
അഭികാരകങ്ങളുടെ ഗാഢത വർധിക്കുംതോറും യൂണിറ്റ് വ്യാപ്തത്തിലെ കണികകളുടെ എണ്ണം കൂടുകയും തൽഫലമായി ഫലവത്തായ കൂട്ടിമുട്ടലുകളുടെ എണ്ണം വർധിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇക്കാരണത്താൽ രാസപ്രവർത്തനവേഗവും വർധിക്കുന്നു.

As the concentration of the reactants increases, the number of particles per unit volume increases. As a result the number of effective collisions increases. For this reason the rate of reaction also increases.

💥 Collision theory: concentration

With 4 times as many acid particles in each unit volume, about 4 times as many hit the magnesium every second. The share of hits that are effective does not change (same metal, same temperature). But 4 times the hits gives about 4 times the effective collisions, so the rate is higher. The zoom counters in the lab show this.

? (page 105). സ്റ്റീൽ കമ്പിച്ചുരുൾ (steel wool) വായുവിൽ ചൂടാക്കിയാൽ അത് ചുട്ടുപഴുത്ത് ചുവന്ന നിറമായി മാറുകയും സാവധാനം ഓക്സീകരിക്കപ്പെടുകയും ചെയ്യും (ചിത്രം A). എന്നാൽ ചുട്ടുപഴുത്ത കമ്പി ചുരുൾ ഓക്സിജൻ സമൃദ്ധമായ അന്തരീക്ഷ സാഹചര്യത്തിലേക്ക് കൊണ്ടു വരികയാണെങ്കിൽ അത് ശക്തമായി കത്തുകയും (ചിത്രം B) ഉൽപന്നങ്ങൾ ഉണ്ടാകുകയും ചെയ്യുന്നു. എന്താണ് ഇതിന് കാരണം? When steel wool is heated in air it becomes red-hot and is oxidised slowly (Fig A). But if the red-hot wool is brought into an atmosphere rich in oxygen, it burns strongly (Fig B) and forms products. What is the reason?

⚠️ Burning steel wool throws out hot sparks, and pure oxygen makes everything burn fiercely. This is a teacher demonstration only. Watch it here as a virtual lab.
✨ Virtual lab – steel wool in air (Fig A) and in oxygen (Fig B)
The reason is concentration ഗാഢത. Air is only about 21 % oxygen. The rest is mostly nitrogen, which does not react with the hot iron. In the oxygen-rich flask almost every gas particle that hits the hot iron is an oxygen molecule. So there are about 5 times as many oxygen molecules per unit volume, many more collisions with the iron each second and many more effective collisions. The slow glow turns into fast, brilliant burning with sparks. (3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ is the main product, the black iron oxide.)

3. Surface area of the reactants അഭികാരകങ്ങളുടെ പ്രതലപരപ്പളവ്

നൽകിയിരിക്കുന്ന ചിത്രം വിശകലനം ചെയ്യൂ. Analyse Fig 5.8. One beaker has a marble piece മാർബിൾ കഷണം in dilute HCl and the other has powdered marble മാർബിൾ പൊടിച്ചത് in dilute HCl.

ഇവിടെ രാസപ്രവർത്തനത്തിൽ ഏർപ്പെടുന്ന അഭികാരകങ്ങൾ ഏതൊക്കെയാണ്? Q (page 105). Which are the reactants taking part in this reaction?

അവയുടെ ഭൗതികാവസ്ഥ എന്താണ്? Q. What is their physical state ഭൗതികാവസ്ഥ?

ഈ പ്രവർത്തനത്തിന്റെ രാസസമവാക്യം എഴുതി നോക്കാം. Let us write the chemical equation, as printed in the book:

CaCO3(s) + 2HCl(l) → CaCl2(s) + H2O(l) + CO2(g)
🔭 Go further – the state symbols

Hydrochloric acid is HCl gas dissolved in water, and the calcium chloride that forms stays dissolved. So chemists usually write CaCO₃(s) + 2HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g). Here (aq) means "dissolved in water". For your exam the book's form is fine. The bubbles you see are carbon dioxide, CO₂(g).

മാർബിൾ കഷണവും തുല്യമാസുള്ള മാർബിൾ പൊടിയും എടുക്കുക. തുല്യ വ്യാപ്തവും ഒരേ ഗാഢതയുമുള്ള നേർപ്പിച്ച ഹൈഡ്രോക്ലോറിക് ആസിഡുമായി ഇവയെ പ്രവർത്തിപ്പിച്ച് നിരീക്ഷണങ്ങൾ രേഖപ്പെടുത്തുക. Take a marble piece and marble powder of equal mass. React them with dilute hydrochloric acid of equal volume and the same concentration, and record your observations.

🧱 Virtual lab – Fig 5.8: a lump against a powder

Model: the lump is a 2 cm cube, with surface area 6 × 2 × 2 = 24 cm². Cutting each edge into n parts gives n³ small cubes of the same total mass, with surface area 24 × n cm². The rate in the model is proportional to the surface the acid can touch. The numbers are illustrative.

Q (page 105). Answer from your observations:

  1. രാസപ്രവർത്തന വേഗം രണ്ട് ബീക്കറിലും ഒരുപോലെയാണോ? Is the rate of reaction the same in both beakers?
  2. മാർബിളിന്റെ പ്രതലപരപ്പളവ് (surface area) തുല്യമാണോ? Is the surface area of the marble the same in both?
  3. പ്രതലപരപ്പളവ് കൂടുമ്പോൾ അഭികാരക തന്മാത്രകൾ തമ്മിലുള്ള കൂട്ടിമുട്ടൽ നിരക്കിൽ എന്ത് മാറ്റമാണ് ഉണ്ടാകുന്നത്? When the surface area increases, what change happens in the rate of collisions between the reactant molecules?
  4. മാർബിൾ തരികളെ അതിസൂക്ഷ്മമായി പൊടിക്കുകയാണെങ്കിൽ പ്രവർത്തനവേഗത്തിൽ എന്ത് മാറ്റമാണ് ഉണ്ടാകുന്നത്? If the marble grains are ground very finely, what change happens in the rate?
1. No. The powder fizzes much faster, and the lump reacts slowly.
2. No. The mass is equal, but the powder has a much greater surface area. Only the outside of the lump touches the acid, while every tiny grain of the powder has its own surface in contact with the acid.
3. The number of collisions between acid particles and the marble surface per second increases, so the effective collisions also increase.
4. The rate becomes even faster. The finer the powder, the greater the surface area (try n = 10 in the lab).
⭐ Surface area (page 106)
ഖരവസ്തുക്കൾ ഉൾപ്പെട്ട രാസപ്രവർത്തനങ്ങളിൽ വേഗത്തെ സ്വാധീനിക്കുന്ന പ്രധാന ഘടകമാണ് പ്രതലപരപ്പളവ്. പദാർഥങ്ങളെ ചെറുകഷണങ്ങളാക്കി മാറ്റുകയോ പൊടിച്ച് ഉപയോഗിക്കുകയോ ചെയ്യുമ്പോൾ പ്രതലപരപ്പളവ് വർധിക്കുകയും തന്മൂലം ഫലവത്തായ കൂട്ടിമുട്ടലുകളിൽ ഏർപ്പെടുന്ന തന്മാത്രകളുടെ എണ്ണം വർധിക്കുകയും രാസപ്രവർത്തനവേഗം കൂടുകയും ചെയ്യുന്നു.

In reactions involving solids, surface area പ്രതലപരപ്പളവ് is a main factor that controls the rate. When a substance is cut into small pieces or powdered, its surface area increases. More molecules can then take part in effective collisions, and the rate of reaction goes up.

💥 Collision theory: surface area

A solid can react only at its surface, because the particles inside the lump are hidden from the acid. Powdering exposes the hidden particles. More surface means more collisions per second at the same concentration and temperature. That means more effective collisions and a faster rate. The total amount of CO₂ is the same, because the mass of marble is the same. The powder only gives it sooner.

Q (page 106). വിറക് ചെറുകഷണങ്ങളാക്കുമ്പോൾ വേഗത്തിൽ കത്തുന്നതിനുള്ള കാരണം ഇതിൽ നിന്ന് മനസ്സിലാക്കാമല്ലോ? From this, can you see why firewood burns faster when it is split into small pieces?

Splitting a log into small pieces (and thin kindling) gives the wood a much larger surface area in contact with the oxygen of the air. More oxygen molecules collide with the wood every second, so there are more effective collisions and it burns faster. This is why the fire in a Kerala kitchen hearth is started with thin, dry sticks and coconut husk, not with a whole log.

Q (page 106). പ്രതലപരപ്പളവ് വർധിക്കുമ്പോൾ രാസപ്രവർത്തനവേഗം കൂടുന്നു എന്നുള്ളതിന് നിത്യജീവിതത്തിൽ നിന്ന് കൂടുതൽ ഉദാഹരണങ്ങൾ കണ്ടെത്തുക. Find more examples from daily life showing that the rate increases as the surface area increases.

  • Chewing food well breaks it into tiny pieces, so the digestive enzymes act faster.
  • Crushed ginger and garlic release their flavour faster in a curry than whole pieces do.
  • Thin slices of vegetables and small pieces of meat or fish cook faster.
  • Dried leaves and sawdust catch fire easily, but a thick log does not.
  • An iron nail rusts slowly, while fine iron wool rusts quickly in the monsoon air.
  • Powdered medicine and effervescent tablets that are broken up act faster.
  • Analogy (a physical change): powdered sugar dissolves faster than a sugar cube.
  • Go further: fine coal dust in mines and fine flour dust in mills can explode, because so much surface burns at once.

? 1 (page 106). നേർപ്പിച്ച ഹൈഡ്രോക്ലോറിക് ആസിഡ് രണ്ട് ടെസ്റ്റ് ട്യൂബുകളിലായി എടുക്കുക. ഒന്നാമത്തെ ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിൽ ഒരു വലിയ കഷണം മുട്ടത്തോട് ഇടുക. രണ്ടാമത്തെ ടെസ്റ്റ് ട്യൂബിൽ തുല്യ അളവിൽ പൊടിയാക്കിയ മുട്ടത്തോട് ചേർക്കുക. Take dilute hydrochloric acid in two test tubes. Put a big piece of eggshell in the first tube, and an equal amount of powdered eggshell in the second. (Choose "eggshell" in the lab above to watch it.)

• The second test tube, with the powdered eggshell, fizzes faster.
• The powder has a much larger surface area than the single piece of the same mass. More acid particles collide with the shell every second, so there are more effective collisions and a faster rate.
• Eggshell is mainly calcium carbonate: CaCO₃ + 2HCl → CaCl₂ + H₂O + CO₂↑. The bubbles are carbon dioxide.

? 2 (page 106). ആഘോഷവേളകൾക്ക് പൊലിമ കൂട്ടാൻ ഉപയോഗിക്കുന്ന പടക്കങ്ങളിൽ മഗ്നീഷ്യം ഉപയോഗിക്കുന്നുണ്ട്. മഗ്നീഷ്യം കത്തുമ്പോൾ നല്ല തിളക്കമുണ്ടാകും. ഇവിടെ ഉപയോഗിക്കുന്നത് മഗ്നീഷ്യം പൊടിയാണ്. എന്തായിരിക്കും കാരണം? Magnesium is used in the fireworks that brighten our festivals (Vishu, Onam, Diwali). Burning magnesium gives a brilliant light. The magnesium used is a powder. What could be the reason?

⚠️ Never take fireworks apart or burn magnesium powder yourself. The flash can damage your eyes and the powder burns explosively. Enjoy fireworks only from a safe distance with an adult in charge.
Magnesium powder has an enormous surface area compared with a ribbon or a lump. Oxygen molecules can collide with a huge number of magnesium atoms at the same instant, so there are very many effective collisions. All the magnesium burns within a moment (2Mg + O₂ → 2MgO), giving one sudden, brilliant white flash. A lump would burn slowly or not catch fire at all.

4. Three factors, one theory

FactorChange madeWhat happens to the collisionsRate
Nature of reactants അഭികാരകങ്ങളുടെ സ്വഭാവംMg instead of Zn or Cu · Na instead of Mg · white P instead of red PA larger share of the collisions is effective (the more reactive substance needs less energy to react)faster
Concentration ഗാഢതconcentrated instead of dilute HCl · pure O₂ instead of airMore particles per unit volume → more collisions per second → more effective collisionsfaster
Surface area പ്രതലപരപ്പളവ്powder instead of a lump · split firewood · Mg powderMore exposed particles → more collisions per second → more effective collisionsfaster
Physical state ഭൗതികാവസ്ഥsolutions instead of solids · vapour instead of liquidParticles are free to move and mix → many more collisionsfaster

Temperature and catalysts, the last two factors, come on the next page.

🌐 Explore online needs internet · opens in a new tab

5. Check yourself

🧭 Summary

Next: Temperature, catalysts and enzymes ▶