Kapitel 20: Thermodynamik und Reaktionskinetik ... · Die Oxidation der Glucose: ... „Bei chemischen Reaktionen finden eine Stoffumwandlung und eine Energieumwandlung statt“

Kapitel 20 Thermodynamik und Reaktionskinetik (Geschwindigkeit von Reaktionen) 1

Kapitel 20 Thermodynamik und Reaktionskinetik (Geschwindigkeit von Reaktionen)

Beim Schmelzen des Eises vergroumlszligert sich die Entropie des Systems

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Inhalt

Kapitel 20 Thermodynamik und Reaktionskinetik (Geschwindigkeit von Reaktionen)1Inhalt 2Gasgesetzte der Thermodynamik4

Gasgesetz von R Boyle amp E Mariotte4Gasgesetz von Gay-Lusac4Gasgesetz von Avogadro4=gt das allgemeine Gasgesetz pmiddotV = n middot R middot T4

Erinnerung - was ist eine chemische Reaktion5Der Kennzeichen einer chemischen Reaktion5Beispiel Faumlllungsreaktion von AgCl5

Reaktionskinetik Wie kann man die Reaktionsgeschwindigkeit messen6Energiebeteiligung bei chemischen Reaktionen7

a) Energiediagramm (exotherme Reaktion)7b) Energiediagramm (endotherme Reaktion)7c) Die freie Enthalpie8

Reaktionskinetik Mathematische Betrachtungen9Aumlnderung der freien Enthalpie beim Ablauf von Gleichgewichtsreaktionen9

Energie Enthalpie Entropie10a) Energieformen10Energiewandlung11

d) Vorhersagen uumlber spontan ablaufende Reaktionen12Berechnung von ΔH und ΔS12Vorhersage12e) Unordnung Entropie (Standard- und Reaktionsentropie)13Konsequenzen14

Energetische Betrachtung der Verbrennung von Glucose15Die Oxidation der Glucose15

Was ist die Reaktionsgeschwindigkeit16Zum Vergleich Geschwindigkeit und ihre Messung in der Physik17

Einfuumlhrungsversuche Messung der Zunahme des Volumens in Abhaumlngigkeit von der Zeit18Generell gilt fuumlr die Reaktionsgeschwindigkeit19

Warum misst man nicht gleich die Konzentration20Was sollte man messen - Edukte oder Produkte21Schuumllerversuch Untersuchung der Reaktion von Thiosulfationen mit Saumlure22Messung der Reaktionsgeschwindigkeit23

Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit grafisch23Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit24Die momentane Reaktionsgeschwindigkeit25Voraussetzungen fuumlr das Zustandekommen einer Reaktion - die Stoszligtheorie26Die Arrheniusgleichung28

Wichtig Die Kelvinskala28Berechnung der EA mithilfe der Arrheniusgleichung (nur LK)29Die Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit30

a) Einfluss des Verteilungsgrades auf die Reaktionsgeschwindigkeit30b) Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit31

Die Reaktionsordnung33Reaktionsordnung und Reaktionsgeschwindigkeit34Reaktionen zweiter Ordnung (bimolekulare Reaktionen)35Reaktionen dritter Ordnung36Reaktionen nullter Ordnung36Reaktionsordnungen im Vergleich37

a) Reaktionen nullter Ordnung37b) Reaktionen erster Ordnung37Halbwertszeit37c) Reaktionen zweiter Ordnung38d) Reaktionen dritter Ordnung39

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Grafische Auswertung40Fuumlr Profis41

Sonderfall Ammoniak-Synthese42Auswertung von Reaktionen 2 Ordnung43

Abhaumlngigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von Temperatur und Konzentration43Einfuumlhrung in die Arrheniusgleichung44

Zusammenfassung 145Abhaumlngigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration45Zusammenfassung Reaktionen sind in ihrer Geschwindigkeit abhaumlngig von45

Erklaumlrung fuumlr die Temperaturabhaumlngigkeit chemischer Reaktionen46Kinetische Energie in Abhaumlngigkeit von der Temperatur - Maxwell-Boltzmann-Verteilung46Aktivierungsenergie46

Die Maxwell-Boltzmann Verteilung47Anwendungsbereiche fuumlr die RGT-Regel47Einfluss der Konzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit48

Zusammenfassung 249Reaktionsgeschwindigkeit und Katalysator50

Versuch Spaltung von Wasserstoffperoxid mithilfe von Braunstein50Autokatalyse50

Wirkungsweise von Katalysatoren51Zusatzinformationen51

Groszligtechnische Anwendung Synthese von Ammoniak (das Haber-Bosch Verfahren)52Uumlbersicht uumlber industrielle katalytische Verfahren52

Biokatalysatoren53Wiederholungsversuch53Wiederholungsaufgaben zum Thema bdquoReaktionskinetikldquo54

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Gasgesetzte der Thermodynamik

Gasgesetz von R Boyle amp E Mariotte

R Boyle amp E Mariotte entdeckten unabhaumlngig voneinander die allgemeinen Gasgesetze

V ~ 1p

=gt p middot V = konstant

Gasgesetz von Gay-Lusac

Durch Einfuumlhrung der absoluten Temperaturskala in Kelvin wurde damit folgende Aussage moumlglich (Gesetzvon Gay-Lusac)

=gt VT = konstant

=gt p middot V T = konstant

Gasgesetz von Avogadro

Durch Avogadro wurde die Stoffmenge eingefuumlhrt und er bestimmte das bei verschiedenen Gasen bei gleichem Druck und gleicher Temperatur in gleichen Gasvolumina logischerweise auch die Stoffmenge gleich sein muss

p middot V T = n middot Konstante

Diese Konstante wurde als allgemeine Gaskonstante bestimmt (R)

Sie betraumlgt R = 8314 Jkmiddotmol

=gt das allgemeine Gasgesetz pmiddotV = n middot R middot T

Das allgemeine Gasgesetz gilt streng genommen nur fuumlr ideale Gase Fuumlr reale Gase erhaumllt man va bei hohen Druumlcken stark abweichende Werte Fuumlr Rechnungen in der Schule ist aber immer von idealen Gasen auszugehen

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Erinnerung - was ist eine chemische Reaktion

Zu Beginn etwas rotes FeuerV Kaliumchlorat Zucker und Strontiumnitrat werden vermischt und mit etwas Schwefelsaumlure zur Reaktion gebracht B rote Stichflamme S Spontan ablaufende Reaktion

Was sind die Grundlagen einer chemischen Reaktion

Der Kennzeichen einer chemischen Reaktion

Definition Mittelstufenunterricht

bdquoBei chemischen Reaktionen finden eine Stoffumwandlung und eine Energieumwandlung stattldquo

Definition Oberstufe Chemische Reaktionen erkennt man zB durch Elektronenuumlbertragung (=gt Redoxreaktionen Elektrolysen) Protonenuumlbertragung (=gt Protolyse Saumlure-Base-Reaktion) Spaltung von Stoffen (Cracken Explosion zB TNT) Umlagerung von Gitterbausteinen (zB monokliner - rhombischer Schwefel Graphit - Diamant)

Beispiel Faumlllungsreaktion von AgCl

NaCl (aq) + AgNO3 (aq) AgCl (s) + Na2NO3 (aq)

Bisher fand im Chemieunterricht vor allem eine Untersuchung der beteiligten Stoffe und der beteiligten Energie statt Aber man kann eine Reaktion auch unter weiteren Aspekten betrachten In Zukunft werden Reaktionsgeschwindigkeiten ebenfalls beobachtet und analysiert

Schnelle Reaktionen Knallgasprobe Ausfaumlllung von AgClLangsame Reaktionen Rosten von Eisen alkoholische Gaumlrung Assimilation gruumlner Pflanzen

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Reaktionskinetik Wie kann man die Reaktionsgeschwindigkeit messen

Moumlchte man nun Reaktionsgeschwindigkeiten messen stellt sich die Frage wie man das macht

V Verbrennen von Papier und beobachtenWas hat sich in dieser Zeit geaumlndert (Stoffmenge und Konzentration der Edukte und Produkte aumlndern sich)

Reaktionskinetik befasst sich mit der Geschwindigkeit von Reaktionen Dabei misst man entwederdie Abnahme der Edukte oder die Zunahme von Produkten gegen die Zeit

Die Reaktionskinetik gehoumlrt als Thema in den Bereich der Thermodynamik welche Bestandteil der physikalischen Chemie ist

Aufgaben1 Erklaumlre definiere die folgenden Begriffe

bull Chemische Reaktion und ihre Erkennungsmerkmalebull Aktivierungsenergie und Reaktionsenergie (ab jetzt Reaktionsenthalpie genannt)bull Endotherme sowie exotherme Reaktionen sowie Energiediagramm bull Standard- und Normalbedingungenbull Reaktionsgeschwindigkeitbull Oxidation Reduktion Redoxreaktion bull angeregter Zustand sowie Lichtemission

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Energiebeteiligung bei chemischen Reaktionen

Bei jeder chemischen Reaktion spielt die Umwandlung von Energie eine Rolle Entweder wird Energie freigesetzt die zB vorher in den Ausgangsstoffen enthalten war oder Energie wird zum Ablauf der Reaktion benoumltigt und somit dem System entzogen

a) Energiediagramm ( exotherme Reaktion )

t Reaktionsverlauf

vor d Reaktion nach d Reaktion

Aktivierungsenthalpie (ΔHA) Energie welche notwendig zum Ausloumlsen der Reaktion ist

Reaktionsenthalpie (ΔHR) Energieuumlberschuss der bei exothermen Reaktionen frei wird

Gesamt freiwerdende Energie (ΔHG)

Chemische Reaktionen die unter Energieabgabe ablaufen heiszligen exotherme Reaktionen Die freiwerdende Energie kann dabei als Waumlrme Licht oder in anderen Formen freigesetzt werden Sie wird auch als Reaktionsenthalpie (ΔH) bezeichnet

b) Energiediagramm ( endotherme Reaktion )

E ΔHA

tReaktionsverlauf

Chemische Reaktionen bei denen staumlndig Energie zugefuumlhrt werden muss damit sie uumlberhaupt ablaufen nennt man endotherme Reaktionen

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Zucker + Sauerstoff

Kohlenstoffdioxid + Wasser

2H2 + O

c) Die freie Enthalpie

Das freiwillige Ablaufen einer chemischen Reaktion wird durch die Gibbs-Helmholtz-Gleichung vorausgesagt Diese Gleichung bestimmt die freie Enthalpie (G) welche nicht mit der Reaktionsenthalpie (H) verwechselt werden sollte

G = H - T middot S

Wenn G lt 0 ist kann die Reaktion freiwillig ablaufen Solche Reaktionen nennt man exergonisch Dies ist besonders bei exothermen Reaktionen der Fall da sie einen negativen Wert fuumlr H haben Endergonische Reaktionen hingegen laufen nicht freiwillig ab

S gibt in dieser Gleichung uumlbrigens die natuumlrliche bdquoUnordnungldquo an die Entropie

Das Vorzeichen von G (freie Enthalpie) zeigt die bdquoTriebkraftldquo einer Reaktion Je groumlszliger der negativeBetrag (also je kleiner der Wert) ist desto groumlszliger ist die Triebkraft der Reaktion

Zusatzinformationen httpdewikipediaorgwikiFreie_EnthalpiehttpdewikipediaorgwikiEnthalpiehttpdewikipediaorgwikiGibbs-Helmholtz-GleichunghttpdewikipediaorgwikiReaktionsenthalpiehttpdewikipediaorgwikiNormalbedingungenhttpdewikipediaorgwikiStandardbedingungen

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Reaktionskinetik Mathematische Betrachtungen

Chemische Reaktionen laufen nur dann freiwillig (spontan) ab wenn die freie Reaktionsenthalpie einen negativen Wert aufweist ΔG lt 0

ΔG = ΔH ndash T ΔS

Um solche freien Enthalpien zu berechnen bezieht man sich in der Regel auf den Standardzustand (c = 1moll T = 25degC also 29815K p=1013 hPa)Die freie Standardenthalpie wird mit einer 0 gekennzeichnet ΔG0

ΔG = ΔG0 + R T lnK K= GleichgewichtskonstanteR = 8314 Jkmiddotmol (allgemeine Gaskonstante)

Die freie Reaktionsenthalpie ist keine konstante Groumlszlige Ihr Wert nimmt bei einer Reaktion ab bis sie das Minimum von 0 erreicht

Dann gilt 0 = ΔG0 + R T lnK

=gt -ΔG0 = R T lnK

Der natuumlrliche Logarithmus der Gleichgewichtskonstanten ist somit der freien Enthalpie direkt proportional

Aumlnderung der freien Enthalpie beim Ablauf von Gleichgewichtsreaktionen

ΔG lt 0 ΔG gt 0

ΔG =0

Hinreaktion Ruumlckreaktionfreiwillig unfreiwillig

Reaktionsverlauf

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Energie Enthalpie Entropie

a) Energieformen

Energie ist eine physikalische Groumlszlige mit der SI-Einheit Joule [J] In geschlossenen Systemen ist sie unveraumlnderlich (Energieerhaltungssatz)

Eine verbreitete (und veraltete) Definition Faumlhigkeit eines Systems Arbeit zu verrichten

Man kann die Energie in sechs verschiedenen Energieformen einteilen

1 Mechanische Energie (=Summe von kinetischer und potenzieller Energie)bull Kinetische Energie (=Bewegungsenergie) - Ekin = frac12 mv2

bull Potentielle Energie (=Lageenergie) bull Schwingungsenergie (Schwingungen sind ein periodischer Wechsel zwischen zwei Energieformen

zB Pendel potentielle Energie wechselt bei maximaler Auslenkung mit der gleich groszligen kinetischen Energie waumlhrend des Durchgangs durch die Ruhelage ab)

bull Elastische Energie (bei elastisch deformierbaren Koumlrpern)bull Schallenergiebull Wellenenergie (z B Wasserwellen Stoszligwellen und elektromagnetische Wellen)

2 Elektrische und magnetische Energie bull Elektrische Energiebull Magnetische Energie

3 Bindungsenergie bull Chemische Energie (=Energie welche in chemischen Bindungen zwischen Atomen bzw Molekuumllen

enthalten ist) Exotherme Reaktionen setzen diese zum Teil frei bull Kernenergie

4 Thermische EnergieDie thermische Energie ist in der ungeordneten Eigenbewegung der Atome bzw Molekuumlle eines Stoffes gespeichert Achtung Der thermodynamische Begriff der bdquoWaumlrmeldquo (Q) hat nichts mit der umgangssprachlichen Waumlrme Kaumllte zu tun Vielmehr beschreibt er die uumlber eine Systemgrenze hinweg transportierte thermische Energie (bzw Waumlrmemenge)

5 Innere EnergieDie Summe aus thermischer Energie Schwingungsenergie im Koumlrper und Bindungsenergie bezeichnet man als Innere Energie

6 MasseNach Einsteins spezieller Relativitaumltstheorie gilt fuumlr ein ruhendes Teilchen E = mc2

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Energiewandlung

Energie kann nicht erzeugt oder verbraucht werden Dies ist nach dem Energieerhaltungssatz unmoumlglich Sie kann aber in unterschiedliche Erscheinungsformen umgewandelt werden So wandelt Bremsen beim Fahrrad die kinetische Energie in Waumlrmeenergie um Ein Gluumlhlampe wandelt elektrische Energie in Licht und Waumlrmeenergie um

Es gibt aber Grenzen der Wandlung Die Entropie ist ein Maszlig fuumlr die Wandlung der in einem geschlossenen System enthaltenen Energie Solange sich die Entropie nicht (oder wenig aumlndert) sind Wandlungen leicht moumlglich

ZusatzinformationenhttpdewikipediaorgwikiEnergiewandlunghttpdewikipediaorgwikiPortalEnergiehttpdewikipediaorgwikiEnergie

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d) Vorhersagen uumlber spontan ablaufende Reaktionen

Beispiel bei einer Reaktion bilden zwei Gase einen Feststoff die Reaktion ist exotherm

A(g) + B (g) C(s) ΔH lt 0

Berechnung von ΔH und ΔS

ΔH Reaktion = ΔH Produkte - ΔH Edukte

ΔS Reaktion = ΔS Produkte - ΔS Edukte

Vorhersage

Die Entropie wird sich in der Reaktion verringernda die urspruumlnglich vorhandenen Gase mehr Platz benoumltigen als der entstehende Feststoff und somit die bdquoUnordnungldquo im System abnimmt Der Wert der Entropie bekommt somit ein negatives Vorzeichen

=gt ΔS Reaktion = ΔS Produkte - ΔS Edukte =gt ΔS lt 0

Setzt man diesen negativen Wert in die Gleichung (ΔG = ΔH - T ΔS) ein dann ist also ΔS negativ und somit der ganze rechte Term (ΔS multipliziert mit der Temperatur) auch Dieser negative Wert wird von der Reaktionsenthalpie subtrahiert (also im Grunde addiert da zwei negative Vorzeichen vorliegen subtrahieren einer negativen Zahl = addieren) Somit wird ΔG nur dann lt0 sein wenn die Reaktion stark exotherm ist oder die Temperatur sehr gering ist)

Eselsbruumlcke Ein geordneter Endzustand bedeutet eine negatives ΔS

Es gilt also vereinfachtbull Wenn ΔS positiv ist und ΔH negativ ist laumluft eine Reaktion spontan ab

bull Wenn ΔS positiv ist und ΔH positiv laumluft eine Reaktion spontan bei hohen Temperaturen ab

bull Wenn ΔS negativ ist und ΔH negativ ist laumluft eine Reaktion bei geringen Temperaturen spontan ab solange sie exotherm ist

bull Wenn ΔS negativ ist und ΔH positiv dann laumluft die Reaktion niemals spontan ab aber die Umkehrreaktion bestimmt

ZusatzinformationenhttpdewikipediaorgwikiEntropie_28Thermodynamik29

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e) Unordnung Entropie (Standard- und Reaktionsentropie)

Betrachtet man natuumlrliche Systeme so faumlllt auf dass nicht jede exotherem Reaktion auch spontan ablaumluft

Auszligerdem gibt es auch endotherme Reaktionen die von alleine ablaufen (zB loumlsen sich manche Salze in Wasser unter Abkuumlhlung auf

NH4Cl (s) NH4+ + Clndash ΔH = 15 kJmol

Folglich muss es neben der Reaktionsenthalpie weitere Ursache geben welche einen Einfluss auf die spontane Umsetzung bei Reaktionen haben

1850 fuumlhrte Rudolf Clausius eine neue thermodynamische Groumlszlige ein welche dieses Problem erklaumlren konnte Diese Groumlszlige beschreibt den Unordnungszustand eines chemischen Systems Er nannte diese Groumlszlige bdquoEntropieldquo (S) [griechisch en tropos = im Wechsel]

Er definierte Liegt in einem System eine groszlige Unordnung der Teilchen vor (zB bei gasfoumlrmigen Systemen) dann ist der Zahlenwert der Entropie groszlig

Geordnete Systeme zB Reaktionen bei denen Feststoffe (zB Ionengitter) entstehen haben eine geringeEntropie

Der Loumlsungsvorgang eines Natriumchlorid-Salzkristalls in Wasser kann die Entropie veranschaulichenDer NaCl-Salzkristall hat als Feststoff einen sehr hohen Ordnungsgrad die Ionen (Na+ und Clndash) liegen im Ionengitter abwechselnd angeordnet vor

Gelangt der Kristall in ein mit Wasser gefuumllltes Gefaumlszlig so kommt es zu einer Interaktion der Ionen mit den Wassermolekuumllen Diese bdquodraumlngelnldquo sich in die Zwischenraumlume und loumlsen Ionen heraus Dieser Schritt ist endotherm da die Gitterenergie uumlberwunden werden muss Die dazu notwendige Energie kommt aus dem Wasser da dieses ja eine Temperatur von ca 293K hat Als Folge kuumlhlt sich das Wasser ab

Die Wassermolekuumlle ordnen sich dann um die Ionen an und bilden eine Hydrathuumllle Dabei wird etwas Energie freigesetzt

Aber warum laumluft das Loumlsen nun uumlberhaupt ab wenn der erste Schritt endotherm istGanz einfach -)Geloumlst liegen die Ionen viel ungeordneter als im festen Kristall vor Der

Unordnungsgrad nimmt zu die Entropie bekommt einen houmlheren Wert so dass der Term bdquoT middot Sldquo groumlszliger wird Dadurch wird mehr von positiven Wert H abgezogen (die Reaktion ist ja endotherm) und somit wird G negativ Das Loumlsen von NaCl ist also ein exergonischer Vorgang Er laumluft spontan ab

G = H - T middot S

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Konsequenzen

Daraus ergibt sich nun eine Reihen Konsequenzen fuumlr die zukuumlnftige Betrachtung der Chemie1 Der Wert der Entropie ist ein Indikator fuumlr die Stabilitaumlt eines chemischen Systems Je groumlszliger der Zahlenwert der Entropie ist desto weniger spontane Aumlnderungen sind moumlglich und desto stabiler ist das chemische System

2 Die Entropie ist fuumlr Chemiker vor allem als Zustandsgroumlszlige interessant Absolute Betraumlge interessieren uns eigentlich kaum

ΔS = S Endzustand - S Anfangszustand

=gt Die Entropie wird nicht absolut gemessen sondern nur die Differenz von Reaktionsbeginn zu Reaktionende

3 Die Maszligeinheit ist kJmol

4 Bei spontan ablaufenden Reaktion steigt die Entropie in der Regel an (dh keine Reaktion wird ablaufenbei der sich die Stoffe von selbst in geordnetere Zustaumlnde begeben

5 Nimmt in einer Reaktion die Entropie ab muss sie an anderer Stelle zunehmen

6 Nach Clausius strebt das Universum einem endguumlltigen Gleichgewichtszustand entgegen an dem die Entropie ihren houmlchsten Wert erreicht hat und keine spontanen Reaktionen mehr ablaufen koumlnnen Dies duumlrfte das Ende des Universums sein warten wir es ab ob er Recht hatte

Zusatzinformationen

httpdewikipediaorgwikiRudolf_Clausius

httpdewikipediaorgwikiEntropie_28Thermodynamik29

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Energetische Betrachtung der Verbrennung von Glucose

Die Oxidation der Glucose

C6H12O6 (s) + 6O2 (g) mdashmdash 6CO2 + 6 H2O ΔH0 = - 2808 kJmol

verbrennt man 1 Mol Glucose (=180g) bei 298K dann wird eine Waumlrmemenge von 2808 kJ freigesetzt 1kg Glucose entspricht -15600 kJ

Dabei ist es egal ob die Oxidation der Glucose in einem Schritt stattfindet (zB bei einer Verbrennung) oder in mehreren Einzelschritten wie bei der Zellatmung Die freiwerdende Energie bleibt gleich

Der Satz von Hess Die Standardenthalpie einer Reaktion ist gleich der Summe der Standardenthalpien

einer Folge von Reaktionen in die die betreffende Reaktion formal zerlegt werden kann

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Was ist die Reaktionsgeschwindigkeit

Es gibt

a) Reaktionen die schnell ablaufen V Faumlllungsreaktion von Silbernitrat mit Salzsaumlure

AgNO3 + Clndash mdashmdash AgCldarr + (NO3)-

b) Reaktionen die langsam ablaufenV RG mit Thiosulfat und HCl (untergehende Sonne - in kleinem Becherglas mit Kreuz)

S2O32- + 2H3O+ mdashmdash S + SO2 + 3 H2O

Die Reaktionsgeschwindigkeit chemischer Reaktionen ist ua von den chemischen Eigenschaftender Reaktionspartner abhaumlngig

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Zum Vergleich Geschwindigkeit und ihre Messung in der Physik

a) gleichfoumlrmige Bewegung

sGeschwindigkeit = Weg ZeitV = s t

t Geradensteigung m = y x

b) ungleichfoumlrmige Bewegung

t S veraumlndert sich bei konstantem t

mittlere Geschwindigkeit = V = s t

momentane Geschwindigkeit lim s t = dsdt(t-gt0)

In der Chemie haben wir es mit Reaktionen zu tun Was koumlnnte sich hier als messbares Zeichen fuumlr die Reaktionsgeschwindigkeit aumlndern

Die Konzentrationsabnahme von Edukten bzw die Konzentrationszunahme der Produkte eigenensich um die Reaktionsgeschwindigkeit zu bestimmen (Entstehen eines Produktes Verschwinden

eines Eduktes)

Ersatzweise kann bei Gasreaktionen auch die Zu- bzw Abnahme des Volumens gemessen werden(Bei Farbreaktionen kann der Truumlbungsgrad durch ein Photometer gemessen verwendet werden)

Gut geeignet sind- Reaktionen bei denen ein Gas entsteht- Reaktionen mit Farbaumlnderungen

Grundsaumltzlich kann man die Reaktionsgeschwindigkeit uumlber das Entstehen der Produkte und das bdquoVerschwindenldquo der Edukte erfassen

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Einfuumlhrungsversuche Messung der Zunahme des Volumens in Abhaumlngigkeit von der Zeit

V Reaktion von Mg mit HCl1 Reagenzglas mit seitlichem Ausgang () mit 10ml 2mol HCl und 3g Mg-Band (ca 5cm) mit Schlauch und Kolbenprober

BZeit t [s]

Volumen Vol [ml]

0 0153045

Mg + HCl

S Die Gasentwicklung der Reaktion ist anfangs heftig laumlsst aber nach und nach nach (g)

Mg + HCl H2 + Mg2+ + 2Cl-

∆V (H2)V = mdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash

Unter der Reaktionsgeschwindigkeit versteht man die Aumlnderung der Konzentration einesReaktionsteilnehmers (c) in einer bestimmten Zeiteinheit (t)

Bei abnehmender Konzentration bekommt der Quotient ein negatives Vorzeichen

Beachtebull Dieser Kurvenverlauf ist typisch fuumlr eine Messung der (zunehmenden) Produktebull Da die Gasentwicklung am Anfang schneller als am Ende verlaumluft kann man daraus folgern dass

die Reaktionsgeschwindigkeit also nicht konstant ist Vielmehr nimmt sie im Verlauf der Reaktion abbull Das entstehende H2 - Volumen (V) ist anhaumlngig von der Stoffmenge (n) des entstehendes Gases (c

= nV) Generell waumlre eine Konzentrationsmessung guumlnstiger Konzentrationsmessungen sind aber immer sehr aufwaumlndig Da aber Volumen und Stoffmenge und Konzentration in dem oben genannten mathematischem Verhaumlltnis stehen ist eine Messung des Volumens generell erlaubt und moumlglich Es gilt folgender Zusammenhang fuumlr die (exaktere) Konzentrationsmessung

∆c (Produkt) ∆c (Edukt)V = mdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash = - mdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash

∆t ∆t

1 37ige Salzsaumlure hat eine Konzentration von 12 moll

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Generell gilt fuumlr die Reaktionsgeschwindigkeit

Fuumlr die Reaktion A + B ---gt C + D kann man die Reaktionsgeschwindigkeit jeweils bezogen auf die einzelnen Stoffe ermitteln (durch den Differentialquotienten)

Fuumlr abnehmende Edukte (negatives Vorzeichen)(Ermittlung durch die Tangentensteigung moumlglich)

- d[A]mdashmdashmdash = v dt c

- d[B]mdashmdashmdash = v dt -Δ[A]

Δt oder

-Δ[B] Δt

toder fuumlr zunehmende Produkte (positives Vorzeichen)(Ermittlung durch die Tangentenseigung moumlglich)

d[C] cmdashmdashmdash = v dt Δ[C] oder Δ[D]

Δt Δt

d[D]mdashmdashmdash = v dt

Durch die Tangentensteigungen werden Momentangeschwindigkeiten bestimmt

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Warum misst man nicht gleich die Konzentration

Das Problem daran ist die Konzentration uumlberhaupt zu messen da sich die Konzentrationen im Reaktionsverlauf natuumlrlich aumlndern Wie will man also die Konzentration eines Stoffes bestimmen

Folgende drei Moumlglichkeiten bieten sich an1 Sind bei einer Reaktion Saumluren beteiligt so ist eine Messung der H+ Konzentrationen (geht recht leicht

mit einem pH-Meter) moumlglich Der pH-Wert muss dann nur in die Konzentration der H+ bzw H3O+ Ionen umgerechnet werden

2 Sind Ionen bei einer Reaktion beteiligt - und veraumlndert sich deren Anzahl in einer Reaktion (zB H2SO4 + 2H2O 2H3O+ + (SO4)2ndash - es entstehen drei Ionen) so ist uumlber die Messung von Leitfaumlhigkeitsaumlnderungen eine Aussage zur Ionenkonzentration moumlglich

zB Hydrolyse von 2 Chlor-2methyl-propan (Bildung eines Ions)

CH3 CH3

| |H3CndashCndashCH3 + H2O +Aceton H3O+ + H3CndashCndashCH3 | | Cl OndashH

3 Aumlndert sich die Durchlaumlssigkeit fuumlr Licht bei einer Reaktion zB weil eine truumlbe Loumlsung aufklart (oder eine klare Loumlsung sich truumlbt) oder wenn im Laufe einer Reaktion eine neue Farbe entsteht dann kann eine Messung von Extinktionsaumlnderungen mit Hilfe eines Photometers eine Aussage zur Konzentration erleichtern Ein Beispiel waumlre die Entfaumlrbung von Kristallviolett mit OHndash

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Was sollte man messen - Edukte oder Produkte

Misst man besser die zunehmende Konzentration (oder das Volumen usw) der Produkte oder die abnehmende der Edukte Im Grunde ist dies egal Vergleiche am Ablauf der folgenden Reaktion

A + B C + D

Es gilt bull Die Konzentration der Ausgangsstoffe [A] und [B] nimmt gleichermaszligen abbull Die Konzentration der Produkte [C] und [D] nimmt zu

Messung der Edukte

-Δ [A] -Δ [B] v = mdashmdashmdash = mdashmdashmdash =gt v hat negatives Vorzeichen =gt Reaktion fuumlhrt zu Konzentrationsabnahme Δt Δt

oder Messung der Produkte

Δ [C] Δ [D] v = mdashmdashmdash = mdashmdashmdash =gt v hat positives Vorzeichen =gt Konzentration der Produkte nimmt zu Δt Δt

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Schuumllerversuch Untersuchung der Reaktion von Thiosulfationen mit Saumlure

V Es werden 1g Natriumthiosulfat in 100ml Wasser aufgeloumlst Diese wird auf 4 kleine 100ml Becherglaumlser verteilt (Alternativ 200ml einer 1molaren S2O3

2- mit 5ml HCl (1molar))Die Reaktionen beginnen jeweils wenn etwas HCl zu den einzelnen Loumlsungen zugefuumlgt wird Ein Kreidekreuz auf dem Experimentiertisch dient als optisches Merkmal fuumlr den Schlusspunkt der Messung

BG1 20ml Natriumthiosulfatloumlsung werden mit HCl versetztBG2 20ml Natriumthiosulfatloumlsung + 20ml Wasser werden mit HCl versetztBG3 20ml Natriumthiosulfatloumlsung + 40ml Wasser werden mit HCl versetzt

BG4 20ml Natriumthiosulfatloumlsung werden auf das doppelte der Raumtemperatur erhoumlht und mit HCl versetzt

Beobachtung Schlussfolgerung

Konzentrations-abhaumlngigkeit

Eine Verringerung der Konzentration um die Haumllfte verlangsamt die Reaktionsdauer ca um die Haumllte

Je houmlher die Konzentration der Edukte desto eher kommt es zu wirksamen Zusammenstoumlszligen zwischen den Thiosulfationen und den Oxoniumionen (H3O+) =gt die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zu

Temperatur-abhaumlngigkeit

Eine Erhoumlhung der Loumlsungstemperatur beschleunigt die Reaktionsdauer ca auf ca das Doppelte

Je houmlher die Temperatur desto staumlrker ist die Eigenbewegung der Teilchen der Loumlsung (in diesem Fall der S2O3

2- und der H3O+-Molekuumlle) Je staumlrker ihre Eigenbewegung ist desto eher kommt es zu wirksamenZusammenstoumlszligen zwischen ihnen =gt die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zu

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Messung der Reaktionsgeschwindigkeit

Theoretischer Beispielversuch Verbrennen von Papier - Messung des entstehenden Kohlenstoffdioxids

=gt Geschwindigkeit der Papierverbrennung Δt

Δc(CO2)v = mdashmdashmdashmdashmdash Δt

Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit grafisch

Aus dem Konzentrations-Zeit-Diagramm werden die Momentangeschwindigkeiten durch anlegen von Tangenten (zB mittels der Kapilarrohrmethode) bestimmt Dazu muss von jeder Tangente per Steigungsdreieck die Steigung berechnet werden Je kleiner das Steigungsdreieck dabei wird desto genauer wird dabei die momentane Geschwindigkeit bestimmt Mit der Kapilarrohrmethode kann man direktMomentangeschwindigkeiten bestimmen ( Steigung entspricht der Tangente)

c Konzentrationsaumlnderung = v = Reaktionsgeschwindigkeit = t Zeitintervall

V(moll middot s)

Steigung = k

t [s] c [moll]

Nachdem die so bestimmten Steigungen der Tangenten errechnet sind kann man dieseMomentangeschwindigkeiten gegen die Konzentration auftragen

Die Steigung dieser neuen Geraden ist k

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c (CO2)

[moll]

c (CO2)

[moll]

Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit

In der Chemie interessiert uns in erster Linie die mittlere ReaktionsgeschwindigkeitDiese ergibt sich als

_vR = V (O2) t

Umrechnung auf die umgesetzte Teilchenzahl1 mol eines Gases nimmt unter Normalbedingungen (0degC 101325 Pa = 101325 mbar) ein Volumen von 2241l ein

n = V0 Vm

224 l = 1 mol V = n

=gt n = 1 mol middot V (l) 224 l

Also ergibt sich fuumlr die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit_VR = n (O2) t

In unserem Versuch liegt eine heterogene Reaktion mit unterschiedliche Phasen vorHomogene Reaktionen laufen jedoch in einer Phase ab

Bei homogenen Reaktionen steht die Teilchenzahl in direktem Zusammenhang mit der Konzentration

Konzentration c = nV

Fuumlr die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit gilt hier also_V= c t

Reaktionsgeschwindigkeit = Quotient aus der Konzentration eines Reaktionsteilnehmers und dem entsprechenden Zeitabschnitt

Man kann sie erfassen als Zunahme der Konzentration der Produkte dann hat sie ein positives Vorzeichen oder als Abnahme der Konzentration der Edukte dann hat sie ein negatives Vorzeichen

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Die momentane Reaktionsgeschwindigkeit

Die in einem genuumlgend kleinen Zeitraum gemessene mittlere Reaktionsgeschwindigkeit nennt man momentane Reaktionsgeschwindigkeit Geschwindigkeit zu genau einem Zeitpunkt

V= lim (t-gt0) c t

Δc(CO2) molvm = lim mdashmdashmdashmdash mdashmdashmdashmdash Δtrarr0 Δt l middot s

So laumlsst sich nun auch leicht die Halbwertszeit (HWZ) fuumlr eine Reaktion erster Ordnung bestimmen

HWZ = t12 = ln2k

k = Zerfallskonstante

In dieser Halbwertszeit hat sich die Konzentration des Stoffes um die Haumllfte verringert

ZusatzinformationenhttpdewikipediaorgwikiZerfallsgesetzhttpdewikipediaorgwikiHalbwertszeit

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Voraussetzungen fuumlr das Zustandekommen einer Reaktion - die Stoszligtheorie

Damit Teilchen miteinander reagieren koumlnnen muumlssen diese1 zusammenstoszligen2 eine genuumlgend hohe Geschwindigkeit haben um sich auch zu treffen (sie muumlssen also genug

kinetische Energie haben)3 die richtige raumlumliche Orientierung haben

Teilchenzahl A 1B 2

A 2B 2

A 2B 3

erfolgversprechende Zusammenstoszlig-moumlglichkeiten

1 2 = 2 2 2 = 4 2 3 = 6

Das Aufeinandertreffen von miteinander reagierenden Teilchen ist bei geringer konzentriertenLoumlsungen unwahrscheinlicher - die Reaktionsgeschwindigkeit ist geringer

Beispiel A + B ---gt C (geschwindigkeitsbestimmender Schritt einer Reaktion)Ist das Zusammentreffen beider Reaktionspartner wichtig so ergibt sich

v = k middot c(A) middot c(B) bimolekulare Reaktion

Erhoumlht man jetzt die Konzentration also die Dichte der Teilchen so erhoumlht sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit

Bei bimolekularen Reaktionen ist die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Produkt der Konzentration der beiden Edukte

Herleitung uumlber die Stoszligzahl ss ~ N(A) middot N(B) mit N=n middot NA

s ~ n(A) middot NA middot n(B) middot NA mit c = nV lt=gt n= cV s ~ c(A) middot V middot NA middot c(B) middot V middot NA mit V NA = konst s ~ c(A) middot c(B)

v ~ c(A) middot c(B)

v = k middot c(A) middot c(B)

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Weitergehendes Beispiel

Reaktion A + B C + DA A B

A B A B A B

4 Moumlglichkeiten 8 Moumlglichkeiten 16 Moumlglichkeitenfuumlr Zusammenstoumlszlige fuumlr Zusammenstoumlszlige fuumlr Zusammenstoumlszlige

Bei groszligen Konzentrationen sind viele Molekuumlle im Reaktionsgefaumlszlig vorhanden DieWahrscheinlichkeit fuumlr einen Zusammenstoszlig bei dem die Molekuumlle zum Reaktionsprodukt

reagieren ist folglich sehr hoch =gt die Reaktion laumluft schnell ab

Die Zahl der Zusammenstoumlszlige pro Zeiteinheit (also auch die Geschwindigkeit der Reaktion) istumso groumlszliger je mehr Teilchen in der Volumeneinheit vorhanden sind (=Konzentration)

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist damit proportional dem Produkt der Konzentrationen der Stoffe A und B

k = Geschwindigkeitskonstante

bull Die Geschwindigkeitskonstante ist charakteristisch fuumlr eine Reaktionbull Die Geschwindigkeitskonstante ist abhaumlngig von der Temperatur

Die Geschwindigkeitskonstante k ist ein Maszlig fuumlr die Zahl der erfolgreichen Zusammenstoumlszlige

ZusatzinformationenhttpdewikipediaorgwikiStoszligtheorie

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Die Arrheniusgleichung

Svante August Arrhenius (1859 - 1927) war ein schwedischer Chemiker Nach seiner Gleichung ist es moumlglich die quantitative Abhaumlngigkeit der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten k von der Temperatur zu berechnen Fuumlr seine Leistungen erhielt er den Nobelpreis

RmiddotT EA

k = A middot e bzw ln k = ln A ndash mdashmdashmdash RmiddotT

A = praumlexponentieller Faktor oder Frequenzfaktor (entspricht nach der Stoszligtheorie dem Produkt aus der Stoszligzahl Z und dem Orientierungsfaktor P)EA = Aktivierungsenergie in [Jmol]R = universelle Gaskonstante (=8314 J [Kmiddotmol])T = absolute Temperatur in [K]k = Reaktionsgeschwindigkeitskonstante

Wichtig Die Kelvinskala

Alle Temperaturangaben sind in Kelvin (nicht in Grad Celsius) Dabei giltbull K ist eine SI-Einheitbull 1degC entspricht 1K (ohne Gradzeichen)bull - 27315degC ist der absolute Nullpunkt Er wird als 0K definiertbull =gt 0degC = 27315K 25degC entsprechen demzufolge 29815Kbull Im Laboralltag verzichtet man meist bei Umrechnungen auf die 015K Genauigkeit so dass 25degC

also 298K entsprechen

ZusatzinformationenhttpdewikipediaorgwikiArrhenius-GleichunghttpdewikipediaorgwikiSvante_ArrheniushttpdewikipediaorgwikiKelvinhttpdewikipediaorgwikiAbsoluter_Nullpunkt

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Berechnung der EA mithilfe der Arrheniusgleichung (nur LK)

Die logarithmierte Form der Arrheniusgleichung lautet

ln k = ln A ndash mdashmdashmdash RmiddotT

Geradensteigung y = -mx + b

Traumlgt man ln k gegen 1T auf so erhaumllt man eine Gerade der allgemeinen Gleichung y = -mx + b

x = 1T y = lnk m = - Ea R b = lnA

Mit dieser Geraden laumlsst sich nun leicht die Aktivierungsenergie EA ermitteln Dazu muss man nur die Steigung der Geraden berechnen EA = -m middot R

Hat man nun eine Messung mit zwei Punkten (also bei zwei verschiedenen Temperaturen (mit mindestens 5K Abstand) laumlsst sich die Aktivierungsenergie leicht durch Subtraktion der Punkte voneinander bestimmen

Es gilt fuumlr T1 Es gilt fuumlr T2

ln k1 = ln A ndash mdashmdashmdash ln k2 = ln A ndash mdashmdashmdash RmiddotT1 RmiddotT2

Subtraktion der Gleichung (T2) von Gleichung (T1)

k1 EA 1 1 ln mdashmdash = mdashmdash middot mdashmdash ndash mdashmdash

k2 R T2 T1

Aufloumlsen nach EA ergibt die Loumlsung

R middot T1 middot T2 k1

EA = mdashmdashmdashmdashmdash ln mdashmdashmdash

(T1 middot T2) k2

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Die Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit

a) Einfluss des Verteilungsgrades auf die Reaktionsgeschwindigkeit

V Gleiche Volumina von Alkohol (Spiritus) wird in einer kleinen (oder einem engen Becherglas) und einer groszligen Verbrennungsschale (bzw auf dem Lehrertisch) entzuumlndet

Alkohol auf dem Lehrertisch20ml Alkohol 20ml Alkohol

B Der Alkohol im engen Becherglas brennt deutlich laumlnger

Warum brennt der Alkohol im Glas laumlngerDie Kontaktflaumlche an der die Verbrennung stattfindet ist im 2 Versuch groumlszliger

Sauerstoff kann nur an der Oberflaumlche an der Verbrennung teilnehmen

S Die Reaktionsgeschwindigkeit dieser Verbrennung ist von Groumlszlige der Fluumlssigkeitsoberflaumlche abhaumlngig an der Luft und Alkohol in Kontakt stehen (Grund O2 kann nur an der Oberflaumlche mit dem Ethanol reagieren)

Bei Reaktionen die in einer Phase ablaufen nennt man homogenen Reaktionen Befinden sich dieReaktionspartner in verschiedenen Phasen so spricht man von heterogenen Reaktionen

Bei heterogenen Reaktionen waumlchst die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Oberflaumlche ander die Reaktionspartner miteinander Kontakt haben

Aufgaben1 Welcher wichtige Umwelteinfluss koumlnnte die Reaktionsgeschwindigkeit noch beeinflussen2 Zeichne Kurven der Reaktionsgeschwindigkeit beider Verbrennungen in ein Diagramm

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b) Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit

V Thiosulfatloumlsung wir mit Salzsaumlure im Wasserbad angesaumluert (zB c(Na2S2O3) = 01 moll c(HCl) = 01 moll) Der Versuch wird bei drei verschiedenen Temperaturen durchgefuumlhrt Die Reaktionsdauer bis zum Eintritt der Truumlbung wird mit einer Stoppuhr (mithilfe eines Kreuzes unter dem Becherglas) gemessen Wenn das Kreuz nicht mehr sichtbar ist gilt die Reaktion als beendet

BT [degC] T [K] Reaktionsdauer

[s-1]20 293 76 13middot10-3

30 303 38 26middot10-3

40 313 56 18middot10-3

S In dieser Reaktion wird Schwefel aus dem Thiosulfat sowohl oxidiert also auch reduziert Eine solche Reaktion nennt man auch Disproportionierung

Ox S2O32- + 4e- + 6H3O+ ---gt 2S + 9H2O

Red S2O32- + 3H2O ---gt 2SO2 + 4e- + 2H3O+

----------------------------------------------------------------------------------------Summe 2 S2O3

2- + 4H3O+ ---gt 2 S + 6H2O + 2SO2

komplette Redoxgleichung S2O32- + 2 H3O+ ---gt S + 3H2O + SO2

Der entstehende Schwefel faumlllt als wasserunloumlslicher Feststoff aus und sorgt so fuumlr die TruumlbungIn einer Folgereaktion reagiert das Schwefeldioxid noch mit Wasser zu schwefliger Saumlure (Reaktion von einem Nichtmetalloxid mit Wasser)

SO2 + H2O ---gt H2SO3

Betrachtet man nun die Reaktionsgeschwindigkeit in Abhaumlngigkeit von der Temperatur so stellt man bei guten Messungen fest dass eine Temperaturerhoumlhung um 10K die Reaktionsdauer sich ca halbiert und somit die Reaktionsgeschwindigkeit ca um den Faktor zwei steigt

Traumlgt man nun die Zeit (hier 1t) gegen die Temperatur auf so erhaumllt man im Idealfall eine Gerade

1t[s-1]

RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit - Temperatur - Regel)Bei einer Temperaturerhoumlhung um 10 K (10degC) verdoppelt bis verdreifacht

sich die Reaktionsgeschwindigkeit

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Aufgaben 1 Die Reaktion von jeweils einem mol Wasserstoff und Sauerstoff (Knallgasreaktion) dauert bei Raumtemperatur ca 108 Jahre bei 730 degC ca 10-5 s Erklaumlre den Unterschied2 Wieso haben wir eine Auftragung 1t gewaumlhlt

v ~ 1t

ZusatzinformationenhttpdewikipediaorgwikiKinetik_(Chemie ) httpdewikipediaorgwikiDisproportionierung

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Die Reaktionsordnung

Die Reaktionsordnung ist eine Beschreibung einer Reaktion welche angibt wie viele Eduktteilchen miteinander reagieren um eine bestimmte Anzahl an Produkt-Teilchen zu bilden

Bei der folgenden hypothetischen Reaktion wuumlrden 2 Teilchen A gleichzeitig mit einem Teilchen B und einem Teilchen C miteinander kollidieren muumlssen damit ein Teilchen E entsteht

2A + B + C E

Das Reaktionsgeschwindigkeitsgesetz dazu

v = k middot [A]2 middot [B] middot [C]

Beachte das die 2 welche in der Reaktionsgleichung vor dem A steht im Geschwindigkeitsgesetz zum Exponenten wird Diese Reaktion wuumlrde also eine Reaktion vierter Ordnung sein

Die Reaktionsordnung ergibt sich aus der Summe der Exponenten der Konzentrationen

Natuumlrlich ist es sehr unwahrscheinlich dass genau 4 Teilchen zum richtigen Zeitpunkt mit der richtigen Energie und der richtigen Orientierung zueinander aufeinander treffen Deshalb sind Reaktionen vierter Ordnung fast ausgeschlossenAm haumlufigsten sind Reaktionen zweiter oder manchmal dritter Ordnung da es nun mal wahrscheinlicher istdass zunaumlchst zwei Teilchen zusammen treffen ein Zwischenprodukt bilden dieses Zwischenprodukt dannerneut mit einem weiteren Teilchen kollidiert usw

A2 + B A2BA2B + C E

(E waumlre also A2BC)

Es gibt auch Reaktionen nullter und erster Ordnung Sie stellen innerhalb der Chemie Sonderfaumllle dar und sind eher in der Physik zu finden

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Reaktionsordnung und Reaktionsgeschwindigkeit

Bei einer Reaktion erster Ordnung ist die Reaktionsgeschwindigkeit nur von der Konzentrationes eines Stoffes abhaumlngig

Bsp Zerfall von Ethan durch Hitze

C2H6 lt===gt C2H4 + H2

Diese Reaktionsgeschwindigkeit ist nur abhaumlngig von der vorhandenen Konzentration des Edukts und somit dessen Zerfallsgeschwindigkeit=gt Reaktion erster Ordnung

Diese Reaktionsgeschwindigkeit entspricht logischerweise der Bildungsgeschwindigket der Produkte Damitgilt fuumlr Reaktionen erster Ordnung

- d[Ethan]mdashmdashmdashmdashmdash = v = k middot [Ethan] dt

bzw fuumlr die Bildung der Produkte

d[Ethen]mdashmdashmdashmdashmdash = v = k middot [Ethen] dt

Allgemeine Form fuumlr Reaktionen erster Ordnung

dcmdashmdashmdash = k middot c dt

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Reaktionen zweiter Ordnung (bimolekulare Reaktionen)

Bei Reaktionen zweiter Ordnung ist die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration beider Edukte abhaumlngig

- dcmdashmdashmdash = k middot c(A) middot c(B) dt

Da es oft schwierig ist die Konzentrationen von zwei Edukten oder von zwei Produkten zu messen ist eineallgemein guumlltige Vereinfachung (bei aumlquimolaren Verhaumlltnissen) davon auszugehen das A und B in der gleichen Konzentration vorliegen Wenn man also einen von beiden misst reicht dies und der Wert wird quadriert

- dcmdashmdashmdash = k middot c(A)2 dt

Liegt einer der beiden Stoffe aber in groszligem Uumlberschuss vor (ab 20-50facher Uumlberschuss) so ist die Reaktion vor allem von dem Partner geringer Konzentration abhaumlngig (da der Stoff hoher Konzentration erstmal Reaktionspartner (nach der Stoszligtheorie) finden muss) Man spricht von einer Reaktion Pseudo-erster Ordnung

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Reaktionen dritter Ordnung

Bei Reaktionen dritter Ordnung ist die Reaktionsgeschwindigkeit entweder von der Konzentration drei verschiedener beteiligter Reaktionspartner abhaumlngig (selten da sich ja erstmal drei Molekuumlle treffen muumlssen) oder es liegt eine Reaktion vor bei der ein Stoff in doppelter Anzahl vorliegt

2NO + Cl2 lt===gt 2NOCl

- dcmdashmdashmdash = k middot c(NO)2 middot c(Cl2) dt

Reaktionen nullter Ordnung

Bei Reaktionen nullter Ordnung ist die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Edukte unabhaumlngig

- dcmdashmdashmdash = k dt

Dies gilt zB bei Eletrolysen wo die Reaktion einzig von der Stromstaumlrke und der Spannung abhaumlngig ist

Eine Konsequenz der verschiedenen Geschwindigkeitsgesetzte ist das die Gleichgewichtskonstante k jedesmal eine andere Einheit hat

Reaktion nullter Ordnung k [mollmiddots]Reaktion erster Ordnung k [1s]Reaktion zweiter Ordnung k [lmolmiddots]

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Reaktionsordnungen im Vergleich

a) Reaktionen nullter Ordnung

Eine solche Reaktion ist unabhaumlngig von der Konzentration der Edukte dh die Reaktionsgeschwindigkeit ist konstant und aumlndert sich nicht

Eine Reaktion nullter Ordnung ist unabhaumlngig von der Konzentration der Reaktionspartner die Reaktionsgeschwindigkeit ist konstant

Man findet solche Reaktionen in seltenen Faumlllen wenn zB eine lichtabhaumlngige Reaktion (=photochemische Reaktion - dann ist k nur Lichtintensitaumlt abhaumlngig) oder katalytische Reaktionen vorliegen

ΔcA(t) d(A)v = ndash mdashmdashmdashmdash bzw k0 = ndash mdashmdashmdashmdash

Δt dt

wobeiv = Reaktionsgeschwindigkeit CA(t) = Konzentration des Stoffes A zum Zeitpunkt t

t = Zeit k = Geschwindigkeitskoeffizient Reaktionsgeschwindigkeitskonstante

b) Reaktionen erster Ordnung

Bei katalytischen Reaktionen oder radioaktivem Zerfall ist die Reaktionsgeschwindigkeit nur von der Konzentration eines zerfallenden Stoffes abhaumlngig

d[A]V = ndash mdashmdashmdashmdash = k middot [A]

Integriert [A]t = [A]0 middot e -kmiddott

mit[A]t ndash Konzentration von A zur Zeit t

[A]0 ndash Anfangskonzentration von A

Halbwertszeit

Aus dem ct Diagramm werden Momentangeschwindigkeiten bestimmt (zB Kapilarrohr Methode) Die Steigungen der Tangenten werden gegen die Konzentration aufgetragen Die Steigung dieser Geraden ist k Daraus laumlsst sich dann auch die HWZ fuumlr Reaktionen 1 Ordnung herleiten

HWZ = tfrac12 = k-1

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c) Reaktionen zweiter Ordnung

Beispiel fuumlr eine Reaktion 2 Ordnung

Verseifung von Diethylester

Ester + OH- --------- Essigsaumlureanion + Ethanol

Normalerweise liegt ein Gleichgewicht vor Da allerdings Hydroxidionen eingesetzt werden (statt Wasser)findet die Ruumlckreaktion nicht statt

V = k [Ester] [OH-]

Es gibt zwei Moumlglichkeiten

1 Zwei Edukte reagieren zu einem oder mehreren Produkten Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhaumlngig von den Konzentrationen der beiden Ausgangsstoffe

d[A] d[B]V = ndash mdashmdashmdashmdash = ndash mdashmdashmdashmdash = k middot [A] middot [B]

2 Oder nur ein Stoff reagiert zu dem Produkt aber dies mit sich selbst

d[A]V = ndash mdashmdashmdashmdash = k middot [A]2

dt integriert

1[A]t = mdashmdashmdashmdashmdashmdashmdashmdash

k middot t + (1 [A]0 )

[A] = Konzentration des Stoffes A [B] = Konzentration des Stoffes B

Die meisten bimolekularen Reaktionen in Fluumlssigkeiten oder Feststoffen reagieren nach 2 Reaktionsordnung miteinander

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d) Reaktionen dritter Ordnung

Drei Edukte reagieren miteinander Solche trimolekularen Reaktionen sind eher selten Es wuumlrden in der Realitaumlt eher als Reaktion zweiter Ordnung die Edukte untereinander reagierenEin solches seltenes Beispiel einer wirklich trimolekularen Reaktion ist die Atomrekombination

3A A2 + A (zB 3H H2 + H)

Es gilt dann

1 d[A]v = ndash mdash middot mdashmdashmdash = k middot [A]3

Integrierte Form

1 1 mdashmdashmdash - mdashmdashmdash = - 4k middot t

[A]0 2 [A]t

ZusatzinformationenhttpdewikipediaorgwikiKinetik_(Chemie)Die_Reaktionsordnung

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Grafische Auswertung

Messung der Bildung eines Produkts

α =gt Steigung = tan α

tEntweder man bestimmt die Momentangeschwindigkeiten uumlber das Steigungsdreieck

Δcmdashmdashmdash = v Δt

oder man misst den Steigungswinkel α zur waagerechten x-Achse und bestimmt den tan α

Traumlgt man nun die so ermittelten Momentangeschwindigkeiten gegen die Momentankonzentrationen auf sollte man bei einer Reaktion erster Ordnung eine Nullpunktgerade erhalten deren Steigung k ergibt

dc mdashmdashmdash = v dt

Steigung = k

c (bei Reaktion erster Ordnung)

c2 (bei Reaktion zweiter Ordnung)

Ergibt sich keine gerade so sollte man die Konzentration ins Quadrat setzten Ergibt sich dann eine Gerade liegt eine Reaktion zweiter Ordnung vor (usw)

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Fuumlr Profis

Man kann das Geschwindigkeitsgesetz auch logarithmieren und kann so direkt k und die Reaktionsordnungermitteln

- dc - dcmdashmdashmdash = k middot cn =gt log mdashmdashmdash log k + n middot log c dt dt

dclog mdashmdashmdash dt

Steigung = Reaktionsordnung

Schnittpunkt = k

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Sonderfall Ammoniak-Synthese

Stickstoff und Wasserstoff reagieren mit einem gluumlhenden Nickeldraht als Katalysator zu Ammoniak Die Reaktionsgeschwindigkeit scheint fuumlr Hin- und Ruumlckreaktion unabhaumlngig von der Ammoniakkonzentration zu sein Auszligerdem ist die Reaktionsordnung fuumlr beide Reaktionen scheinbar verschieden Kann das sein

Theoretisch folgt aus der Reaktionsgleichung doch dass die Reaktionsordnung fuumlr Hinreaktion 4 und fuumlr die Ruumlckreaktion 2 ist

=gt Das tatsaumlchliche Geschwindigkeitsgesetzt laumlsst sich nicht ohne weiteres aus der Reaktionsgleichung ableiten sondern muss experimentell bestimmt werden

In der Regel ist es so dass es in der Praxis nur einen geschwindigkeitsbestimmenden Schritt gibt und der gerade die Ordnung der Gesamtmolekularitaumlt hat

=gt In der Thermodynamik ist eine Reaktion 4 Ordnung zwar moumlglich kinetisch sind solche Reaktionen 4 Ordnung aber wenig wahrscheinlich wenn auch nicht unmoumlglich

Also vermutlich musst Du einfach zwischen theoretischer Ordnung und tatsaumlchlicher kinetischer unterscheiden Und da kann es sein dass der Katalysator alles so langsam macht dass man so etwas wie pseudo-nullter Ordnung hat

Aufgaben1 Bestimme die Reaktionsordnung und den Besitzer () des folgenden Produkts

3C + P + O

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Auswertung von Reaktionen 2 Ordnung

zB Verseifung ein Di-Ethyl-Ester

Ester + OHndash Essigsaumlureanion2 + Ethanol

Da sowohl der Ester als auch Hydroxidionen zur Reaktion gebraucht werden muumlssen beide Konzentrationen beruumlcksichtigt werden Zur Vereinfachung reicht es in der Regel aus die Konzentration eines der beiden Stoffe zu nehmen und sie ins bdquoQuadratldquo zu nehmen

=gt V = k middot [Ester] middot [OHndash]

vereinfacht V = k middot [Ester]2

Abhaumlngigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von Temperatur und Konzentration

V1 Reaktion von Zn mit HCl in verschieden temperierten Wasserbaumldern (in 10degC Schritten)

S1 RGT Regel

V2 Reaktion von Zn mit HCl mit verschieden Saumluren steigender KonzentrationS2 Je groumlszliger die Konzentration der beteiligten Stoffe desto groumlszliger ist die Reaktionsgeschwindigkeit

2 Normalerweise liegt ein Gleichgewicht vor allerdings wird durch den Einsatz von Hydroxidionen (anstelle von Wasser) eine Ruumlckreaktion verhindert

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Einfuumlhrung in die Arrheniusgleichung

Mit den in V1 gewonnen Konstanten kann eine Arrheniusauftragung gemacht werden und so die Aktivierungsenergie und die Arrheniuskonstante bestimmt werden

y = b + m middot x

∆HAktivierung 1lnk = ln A - mdashmdashmdashmdashmdash middot mdashmdash

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Zusammenfassung 1

Abhaumlngigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration

1 bimolekulare Reaktion A + B ---gt C + D vr = k middot c(A) middot c(B)

2 monomolekulare Reaktion A ---gt B + C vr = k middot c(A)

3 bimolekulare Reaktionen mit Gasen (ausgedruumlckt uumlber Partialdruck p)vr = kacutemiddot p(A) middot p(B) da p ~ c

Zusammenfassung Reaktionen sind in ihrer Geschwindigkeit abhaumlngig von

bull Der Konzentration (genau genommen der Aktivitaumlt der Teilchen)bull Minimal auch dem Verhaumlltnis der Menge der Edukte im Verhaumlltnis zur Menge der Produkte bull der Temperaturbull der Stoszligenergiebull der Anwesenheit von Katalysatorenbull vom Partialdruck (nur bei bei Gasreaktionen)bull der Orientierung und der Ausrichtung groszliger Reaktionspartner (Enzyme Katalysatoroberflaumlche)

beim Zusammenstoszligbull dem Zerteilungsgrad dem Verteilungsgrad (bzw Oberflaumlche) und der Durchmischung der

Reaktionspartner

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Erklaumlrung fuumlr die Temperaturabhaumlngigkeit chemischer Reaktionen

Vorversuch Lege die Koumlpfe von Zuumlndhoumllzern auf eine heiszlige Platte Vermutung Bei einer houmlheren Temperatur der Platte hat vermutlich ein groumlszligerer Anteil der Teilchen die erforderliche Mindestenergie (Mindestgeschwindigkeit) und kann sich so selbst entzuumlnden=gt Bei einer houmlheren Temperatur aumlndert sich die Energieverteilung

Kinetische Energie in Abhaumlngigkeit von der Temperatur - Maxwell-Boltzmann-Verteilung

Betrachtet man Teilchen in einer Fluumlssigkeit oder einem Gas so wird man statistisch gesehen die meisten Teilchen mit einem mittleren Energiegehalt vorfinden und weniger Teilchen mit hoher bzw geringer EnergieDurch Kollisionen kann ein Teilchen entsprechend Energie gewinnen oder verlieren Da sich die Gesamtenergiemenge nicht aumlndert liegt im Grunde eine gauslsquosche Normalverteilung vor

Einige wenige Teilchen haben aber vielleicht soviel Energie dass sie fuumlr eine Reaktion genuumlgend Aktivierungsenergie habenMit zunehmender Temperatur nimmt deshalb bei chemischen Reaktionen die Anzahl der Teilchen mit houmlherem Energiegehalt (also houmlherer kinetischer Energie und folglich houmlherer Geschwindigkeit) zu Dadurch nimmt die Anzahl der wirksamen Zusammenstoumlszlige zu Auszligerdem sind die Zusammenstoumlszlige bdquostaumlrkerldquo (also energiereicher)Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung liefert also eine Erklaumlrung fuumlr die Zunahme der Reaktionsgeschwindigkeit bei Temperaturerhoumlhung da bei houmlheren Temperaturen mehr Teilchen die notwendige Aktivierungsenergie erreichen (siehe auch RGT-Regel)

Bei geringen Temperaturen sind die Zusammenstoumlszlige hingegen weniger haumlufig und oft reicht auch die Energie der Zusammenstoumlszlige fuumlr eine wirksame Reaktion nicht aus So laumlsst sich ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff lange aufbewahren ohne dass eine Reaktion stattfindet

Diese Art der Auftragung wird Maxwell-Boltzmann-Verteilung genannt

Aktivierungsenergie

Damit im eben genannten Beispiel von Wasserstoff und Sauerstoff eine Reaktion stattfindet muss ein Energiebetrag beim Zusammentreffen von Teilchen erreicht bzw uumlberschritten werden damit uumlberhaupt eine Reaktion stattfinden kann

Nur wirksame Zusammenstoumlszlige fuumlhren zu einer chemischen Reaktion Zu einem wirksamenZusammenstoszlig gehoumlren neben der notwendigen Energie auch die guumlnstige

Orientierung der Reaktionsteilchen

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Die Maxwell-Boltzmann Verteilung

Quelle Bild Public domain by wikipediauser Pdbailey - thank you httpenwikipediaorgwikiImageMaxwellBoltzmanngif

ZusatzinformationenhttpdewikipediaorgwikiMaxwell-Boltzmann-Verteilung

Anwendungsbereiche fuumlr die RGT-Regel

Biologie bull Wechselwarme Tiere sind bei Kaumllte langsam und bei Hitze schnell Ursache ist das schnellere

Ablaufen der Stoffwechselvorgaumlnge im Koumlrper der Tiere Beispiele sind langsamere Stechmuumlcken im Herbst Reptilien welche sich bei Kaumllte nur langsam bewegen usw

bull Pflanzen wachsen in Waumlrme schneller Schneealgen wachsen bei 0degC extrem langsam

Haushaltbull Reinigungsvorgaumlnge (zum Waschen wird heiszliges Wasser verwendet)

Technikbull Ammoniak-Synthese (Haber-Bosch-Verfahren)bull Erhitzen chemischer Reaktionen mit dem Bunsenbrenner

Aufgaben 1 Die Reaktion von jeweils einem mol Wasserstoff und Sauerstoff (Knallgasreaktion) dauert bei Raumtemperatur ca 108 Jahre bei 730degC ca 10-5 s Erklaumlre den Unterschied

2 Im Sommer trocknet Waumlsche schneller als im Herbst Erklaumlre mithilfe der Maxwell-Boltzmann-Verteilung (bedenke zuerst ob uumlberhaupt eine chemische Reaktion vorliegt)

3 Wasserteilchen an der gewischten Tafel sollten eigentlich gar nicht verdampfen da der Raum (hoffentlich) kuumlhler als 100degC ist Erklaumlre das Phaumlnomen des Verdunstens mithilfe der Maxwell-Boltzmann-Verteilung und stelle es dem Verdampfen gegenuumlber

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Einfluss der Konzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit

V Thiosulfat reagiert mit Chlorwasserstoff Waumlhrend des Versuchs werden uumlber die Volumina der Stoffe dieKonzentrationen bestimmt Werte die Tabelle aus erstelle ein Geschwindigkeitsdiagramm und ziehe Schlussfolgerungen

Glas V (S2O32-)

[ml]V (H2O)

[ml]V (HCl)

[ml]c (S2O3

2-)[moll]

Zeit t[s]

1t[s-1]

1 100 0 5 095 7 0142857

2 50 50 5 048 14 00714285

3 25 75 5 024 26 003846

4 125 88 5 012 46 0021739

5 6 92 5 006 100 001

Geschwindigkeitsdiagramm

Was kann man aus dem Diagramm (oder aus den Daten) uumlber die Reaktionsgeschwindigkeit ablesen- Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit bei Abnahme der Konzentration (12)

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist von der Konzentration der beteiligten Stoffe abhaumlngig Je groumlszliger die Konzentration ist desto groumlszliger ist auch die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit

Wie kann man sich das erklaumlren und wer reagiert bei dieser Reaktion miteinander - Thiosulfatteilchen mit Proton

Was muss passieren damit die Teilchen miteinander reagieren koumlnnen=gt ein Aufeinandertreffen der Teilchen ist erforderlich

221017

Zusammenfassung 2

bull Bei Reaktionen reagieren immer Edukte zu Produktenbull Die Reaktionsgeschwindigkeit misst man also durch die Entstehung der Produkte oder das

bdquoVerschwindenldquo der Eduktebull Misst man das Verschwinden der Edukte so erhaumllt die Reaktionsgeschwindigkeit definitionsgemaumlszlig

ein negatives Vorzeichenbull Von Interesse fuumlr Chemiker ist besonders die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit vv = ∆V ∆t bull Messen laumlsst sich praktischerweise das Entstehen oder Verschwinden eines Volumens (bei

Gasreaktionen) oder die Zunahme oder Abnahme der Stoffmenge (n) eines Teilchens da die Stoffmenge zum Volumen in direkt proportionaler Beziehung steht n = V0 Vm (Vm =224 lmol)

bull Fuumlr solche Reaktionen ist die Reaktionsgeschwindigkeit vn = ∆ n ∆ tbull Als dritte Methode kann die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Aumlnderung von

Stoffmengenkonzentration (c) gemessen werden (leicht in waumlssrigen Systemen durch zB passende Ionennachweise) Bei solchen Reaktionen ist die Konzentration der Stoffmenge direkt proportional c = vV(Lsg) wobei V(Lsg) als konstant angenommen werden kann Die Reaktionsgeschwindigkeit ist also vc = ∆ c ∆ t

221017

Reaktionsgeschwindigkeit und Katalysator

V1 In den Wasserstoffstrom wird feinverteiltes Platin gehalten (oder platiniertes Platin)

B Ohne einen Funken entzuumlndet sich der Wasserstoff Das Platin sieht nach dem Entzuumlnden genauso aus wie vorher

S Platin scheint die Aktivierungsenergie herabzusetzen An der Reaktion nimmt es nicht teil Es dient als Katalysator

2 H2 + O2 Pt 2 H2O DH lt 0

V2a Entzuumlnden von Zucker mit dem BunsenbrennerV2b Entzuumlnden von Zucker und etwas Zigarettenasche mit dem Bunsenbrenner

B Nur in Gegenwart von Asche kann Zucker entzuumlndet werden

S Ganz offensichtlich brennt nicht die Asche da sie ja schon verbrannt ist Vielmehr ermoumlglicht sie erst dasAblaufen der Reaktion Die Asche ist in diesem Fall ein Katalysator Den Wasserstoff hingegen kann sie nicht entzuumlnden

Katalysatoren verringern die Aktivierungsenergie einer Reaktion Dadurch erhoumlhen sie die Reaktionsgeschwindigkeit

Sie liegen nach der Reaktion unveraumlndert vor koumlnnen jedoch waumlhrend der Reaktion eine Bindungmit mindestens einem Reaktionspartner eingehen

Katalysatoren sind reaktionsspezifisch - sie wirken also selektiv

Man unterscheidet

Homogene Katalyse Katalysator und Edukte liegen in selber Phase (zB geloumlst in Wasser) vor

Heterogene Katalyse Katalysator und Edukte liegen in verschiedenen Phasen vor zB fester Katalysator und gasfoumlrmige Edukte (wie zB im Auto bei der Ammoniak-Synthese oder der Wasserstoff-

Verbrennung mit Platin)

Versuch Spaltung von Wasserstoffperoxid mithilfe von Braunstein

V Zu Wasserstoffperoxid wird etwas Braunstein (Mangandioxid) zugegeben

B Die Zugabe fuumlhrt zum Aufschaumlumen der Fluumlssigkeit Gasentwicklung Glimmspanprobe ist positiv

S 2 H2O2 --(Kat MnO2)--gt 2 H2O + O2

Autokatalyse

Der Katalysator entsteht erst waumlhrend der Reaktion und die Reaktion verstaumlrkt sich so selbst Beispiel2 MnO4

- + 16 H3O+ + 5 Cr2O4sup2- ---gt 2 Mnsup2+ + 24 H2O + 10 CO2

221017

Wirkungsweise von Katalysatoren

Katalysatoren setzen die Aktivierungsenergie herab=gt mehr Teilchen haben die Mindestenergie fuumlr wirksame Zusammenstoumlszlige

Die Wirkung eines Katalysators beruht aufbull Der Bildung einer Zwischenverbindung

A + Kat AKatAKat + B AB + Kat

bull Der Oberflaumlchenwirkung (zB bei Pt Pd Ni)(siehe zum Beispiel Doumlbereiners Feuerzeug) Die Wirkung beruht auf

- auf Schwaumlchung von Bindungen- raumlumliche Annaumlherung der Reaktanden- raumlumliche Fixierung

Fuumlr Gleichgewichte gilt Katalysatoren beschleunigen die Hin- und Ruumlckreaktion gleichermaszligen und aumlndern also die Lage eines Gleichgewichtes nicht

Zusatzinformationen

httpdewikipediaorgwikiKatalysatorhttpdewikipediaorgwikiKatalysehttpdewikipediaorgwikiAutokatalysehttpdewikipediaorgwikiHomogene_KatalysehttpdewikipediaorgwikiHeterogene_KatalysehttpdewikipediaorgwikiKatalysatorgifthttpdewikipediaorgwikiBiokatalysatorhttpdewikipediaorgwikiJohann_Wolfgang_DoumlbereinerKatalyse_und_das_Doumlbereiner-Feuerzeug

221017

Groszligtechnische Anwendung Synthese von Ammoniak (das Haber-Bosch Verfahren)

Reaktionsgleichung N2 + 3H2 Kat 2NH3 DH gt 0

Wie man schon an der Reaktionsenthalpie erkennt ist Stickstoff extrem inert (=reaktionstraumlge)

Mechanismus

H + 2H2

NequivN + HndashH + Kat Kat-NequivN ---gt Kat + 2NH3

HZwischenprodukt

Der Katalysator verbindet sich kurzzeitig mit beiden Edukten Er bdquohilftldquo so bei der Spaltung der extrem stabilen Edukte

Uumlbersicht uumlber industrielle katalytische Verfahren

Verfahren Produkt Katalysator Bedingung

Ammoniaksynthese NH3 EisenAl2O3T = 450-500 degC p = 25-40 MPa

Methanolsynthese CH3OHCuOCr2O3

oder ZnOCr2O3

oder CuOZn0

T = 210-280 degC p = 6 MPa

Schwefelsaumlureherstellung H2SO4 V2O5 T = 400-500 degC

Salpetersaumlureherstellung (=Ostwaldverfahren)

HNO3 PlatinRhodium T = 800 degC

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Biokatalysatoren

Siehe Kapitel Biologie bdquoEiweiszlige und Enzymeldquo

Enzyme sind aumluszligerst effektive Biokatalysatoren Sie setzen die Aktivierungsenergie herab und ermoumlglichenso Stoffumsetzungen selbst bei Koumlrpertemperatur und darunter

Biokatalysatoren werden durch Schwermetalle vergiftet und durch Hitze zerstoumlrt

Wiederholungsversuch

Nenne Moumlglichkeiten die Reaktionsgeschwindigkeit zu erfassen(Uumlber Messung der Aumlnderung von Volumen Stoffmenge oder Konzentration)

Wovon haumlngt die Reaktionsgeschwindigkeit ab(den chemischen Eigenschaften wie Zerteilungs- bzw Verteilungsgrad)

Bei einem Versuch reagiert 1g Zinkpulver mit Salzsaumlure und parallel eine feste Zinkgranalie (Masse 1g) mit der gleichen Menge Salzsaumlure

a) Erstelle die ReaktionsgleichungReaktionsgleichung 2Zn + 2HCl ---gt H2 + ZnCl2

b) Treffe eine Vorhersage zur Reaktionsgeschwindigkeit der beiden Versuche

c) Was laumlsst sich also allgemein fuumlr den Zusammenhang zwischen Oberflaumlche (Verteilungsgrad) und Reaktionsgeschwindigkeit sagen

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Wiederholungsaufgaben zum Thema bdquoReaktionskinetikldquo

1 Nenne Kennzeichen chemischer Reaktionen2 Welche Aussagen kann ein Energiediagramm treffen3 Erstelle fuumlr jeweils frei gewaumlhlte Reaktionen ein exothermes und ein endothermes Energiediagramm4 Wie unterscheiden sich Standard- und Normalbedingungen5 Was versteht man unter Reaktionsgeschwindigkeit Wie unterscheiden sich dabei mittlere und

momentane Reaktionsgeschwindigkeit6 Wie kann man die Reaktionsgeschwindigkeit messen Nenne verschiedene praktische

Moumlglichkeiten7 Was versteht man unter Gibblsquoscher freier Enthalpie und unter Entropie 1 Welche Faktoren beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit2 Nenne Moumlglichkeiten Reaktionsgeschwindigkeiten zu messen3 Welchen Einfluss hat die Orientierung eines Molekuumlls dabei 4 Erklaumlre den Zusammenhang zwischen Oberflaumlche (Verteilungsgrad) und der

Reaktionsgeschwindigkeit 5 Erklaumlre die Stoszligtheorie und erstelle dazu die passende Maxwell-Boltzman-Vertielung6 Wie kann man erklaumlren dass bei houmlheren Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit steigt7 Nenne ein Beispiel fuumlr die Konzentrationsabhaumlngigkeit chemischer Reaktionen8 Wie kann man die Konzentrationsabhaumlngigkeit mit der Stoszligtheorie erklaumlren9 Eine Reaktion laumluft in mehreren Teilschritten ab Wie kann man das Gesetz fuumlr die

Reaktionsgeschwindigkeit aufstellen10 Im geschwindigkeitsbestimmenden Schritt einer Reaktion bildet ein Eisen(III)ion mit Thiocyanat

einen Komplex (siehe Gleichung) Wie lautet das dazugehoumlrige Geschwindigkeitsgesetz

[Fe(H2O)6]sup3+ + 3 SCN- ---gt [Fe(SCN)3(H2O)3] + 3 H2O

11 Wie lautete das Geschwindigkeitsgesetz bei einer monomolekularen Gas12 Was ist die RGT-Regel Welchen Zusammenhang spiegelt sie wieder Erklaumlre13 Bei 22degC laumluft eine Reaktion in 80s ab Wie lange braucht es ungefaumlhr bei 62degC14 Stelle die Redoxreaktionsgleichung der Reaktion von Natriumthiosulfatloumlsung mit HCl auf Erklaumlre

dabei auch den Niederschlag15 Bei der Reaktion von Natriumthiosulfatloumlsung mit HCl ensteht das Gas SO2 Warum wurde keine

Gasentwicklung beobachtet16 Wie lautet die Arrheniusgleichung Wie kann man mit ihr k bzw die Aktivierungsenergie

bestimmen17 Distickstoffpentoxid zerfaumlllt in Stickstoffdioxid und Sauerstoff Bei einem Versuch werden 324g

Distickstoffpentoxid eingesetzt Die Reaktion laumluft mit einer Geschwindigkeit von vr = 5 10-4 mols Wie viel Zeit vergeht bis die Reaktion vollstaumlndig abgelaufen ist(Tipp Betrachten Sie bei Ihrer Rechnung die Sauerstoffentwicklung als Maszlig fuumlr die Reaktionsgeschwindigkeit )

18 Eine Zinkgranalie und die gleiche Masse an Zinkpulver reagieren Salzsaumlurea) Stelle die Reaktionsgleichung auf b) Was fuumlr ein Reaktionstyp liegt vor c) Wie unterscheiden sich die Reaktionsgeschwindigkeitend) Finde Wege die Reaktionsgeschwindigkeit zu bestimmen

19 Magnesium reagiert mit Salzsaumlure Nach 1min misst man ein Wasserstoffvolumen von 30mla) Stelle die Reaktionsgleichung auf und benenne alle Stoffeb) Bestimme die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit vr in mols

20 Salzsaumlure reagiert auch mit Calciumcarbonat Es bildet sich wiederum ein Gas Nach 2min wird eine Massenabnahme von 0960g gemessen Berechne die mittlere Aumlnderung der Stoffmenge des Kohlenstoffdioxids M(CO2) = 44 gmol

21 Erklaumlre wie Katalysatoren wirken und nenne mehrere Beispielreaktionen dafuumlr22 Welchen Einfluss haben Katalysatoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit23 Wie unterscheidet sich das Energiediagramm einer katalytischen Reaktion von dem einer

herkoumlmmlichen Reaktion24 Wie kann man die Selektivitaumlt von Katalysatoren erklaumlren25 Erklaumlre mithilfe der Maxwell-Boltzman-Verteilung warum katalysierte Reaktionen nicht eine

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geringere Aktivierungsenergie haben sondern auch warum sie schneller ablaufen26 Nenne weitere Merkmale von katalytischen Reaktionen27 Die Wasserstoffperoxidkonzentration einer waumlssrigen Wasserstoffperoxidloumlsung nimmt bei der

folgenden Reaktion ab2 H2O2 2 H2O + O2 Es liegen folgende Konzentrationen vor c0 (H2O2) = 098 moll c1 (H2O2) = 074 mollBerechnen Sie den zugehoumlrigen Zeitabschnitt wenn die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit vr = - 748 mol lmiddots im betrachteten Zeitabschnitt ist

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Inhalt











a) Energiediagramm (exotherme Reaktion)

b) Energiediagramm (endotherme Reaktion)





a) Energieformen

Energiewandlung



Vorhersage


Konsequenzen





























Halbwertszeit




Fuumlr Profis





Zusammenfassung 1





Aktivierungsenergie




Zusammenfassung 2



Autokatalyse


Zusatzinformationen



Biokatalysatoren

