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Aktivierungsenergie 12:48 min

Textversion des Videos

Transkript Aktivierungsenergie

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um die Aktivierungsenergie. Der Film gehört zur Reihe Reaktionen. An Vorkenntnissen solltest du gut Bescheid wissen, was Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht sind. Im Film möchte ich dir erklären, welche Auswirkungen die Aktivierungsenergie auf chemische Reaktionen besitzt. Das Video besteht aus 7 Abschnitten. 1. Reagiert es oder nicht? 2. Die anschauliche Interpretation. 3. Was macht die Reaktion schneller? 4. Die Arrheniusgleichung. 5. Zusammenhang zwischen Kinetik und Thermodynamik. 6. Bedeutung der Aktivierungsenergie und 7. Zusammenfassung 1. Reagiert es oder nicht? Nehmen wir eine allbekannte chemische Reaktion. Natrium reagiert mit Wasser. Die Reaktion verläuft sehr heftig. Unter den gleichen Bedingungen, nämlich Raumbedingungen, reagiert Chlor mit Wasserstoff nicht. Warum findet diese Reaktion nicht statt? Ganz einfach, die beteiligten Teilchen haben nicht die nötige Energie. Die für eine chemische Reaktion notwendige Mindestenergie der Ausgangsstoffe nennt man Aktivierungsenergie. 2. Die anschauliche Interpretation: Wir wollen einmal die relative Energie der beteiligten Reaktionspartner gegen den Reaktionsverlauf auftragen. Wir beginnen mit der Energie der Edukte. Die Reaktion ist beendet, wenn wir die Produkte erhalten haben. Diese haben eine andere Energie. Bevor es dazu kommt, muss aber ein Energieberg überwunden werden. Die Differenz vom Gipfel des Berges bis zur Energie der Edukte bezeichnet man als Ea, das ist die Aktivierungsenergie. Den höchsten Punkt des Berges bezeichnet man als Übergangszustand. Man sagt dazu auch Sattelpunkt, im dreidimensionalen Raum sieht er tatsächlich aus wie ein Sattel. Achtung, der Sattelpunkt ist nicht identisch mit dem sogenannten aktivierten Komplex. Dieser liegt ganz in der Nähe davon, wir werden ihn heute aber nicht besprechen. Die Edukte Wasserstoff und Chlor benötigen somit eine gewisse Aktivierungsenergie, um zum Reaktionsprodukt Chlorwasserstoff zu reagieren. Wir können zum Beispiel bestrahlen und die Reaktion läuft ab. Die Struktur des Moleküls, das dem Sattelpunkt entspricht, liegt zwischen den Strukturen der Edukte und der Produkte. Es ist sozusagen eine Zwischenstruktur. Die Aktivierungsenergie liefert einen direkten Bezug zur Kinetik, das heißt der Lehre von der Reaktionsgeschwindigkeit. Je höher die Aktivierungsenergie ist, umso geringer ist die Reaktionsgeschwindigkeit. 3. Was macht die Reaktion schneller? Als Erstes kann man die Temperatur erhöhen. Die Teilchen erhalten Energie und können die Barriere der Aktivierungsenergie überwinden. Außerdem kann man die Konzentration erhöhen. Die Wahrscheinlichkeit, dass das eine oder andere Teilchen die Aktivierungsenergie erreicht, wird dann größer. Dritte Möglichkeit ist der Zusatz eines Katalysators, eines Beschleunigers der Reaktion. Durch den Katalysator wird die Reaktion auf einen neuen Reaktionsweg gelenkt. Die Aktivierungsenergie wird im Vergleich zur alten vermindert und die Reaktion wird schneller. 4. Die Arrheniusgleichung: Die Arrheniusgleichung entwickelte Svante Arrhenius im Jahre 1889. Inspiriert dafür wurde er wahrscheinlich durch seinen Arbeitsaufenthalt beim österreichischen Physiker Ludwig Boltzmann. Und so sieht sie aus: k = A × e^-Ea/R×T. k ist die Geschwindigkeitskonstante der Reaktion. Ea ist die Aktivierungsenergie. R ist die universelle Gaskonstante. T die absolute Temperatur, bei der die Reaktion abläuft. A ist der sogenannte präexponentielle Faktor, er ist für jede Reaktion charakteristisch und hat etwas mit der Sterik der Moleküle zu tun. Lasst uns 2 kleine mathematische Formalitäten erledigen. Wenn wir den Grenzwert von k für Ea gegen 0 ermitteln, so erhalten wir, ja richtig, A. Wenn die Aktivierungsenergie gegen ∞ geht, so ergibt sich für k ein Wert von 0. Das heißt, die Reaktion läuft nicht ab. Wenn man die Arrheniusgleichung logarithmiert, erhält man folgende Gleichung. Ich schreibe sie noch etwas um, dann sieht sie so aus. Sie hat die Struktur einer linearen Gleichung und wir können sie in der Form y = m × x + n aufschreiben. Aus experimentellen Messungen erhält man Ergebnisse, die man grafisch als lnk -> 1/T auftragen kann. lnA ist die Schnittstelle mit der y-Achse. Die Steigung der Geraden kann man aus Δlnk und Δ(1/T) ermitteln. Also n = lnA, somit kann man einfach A bestimmen. Und die Steigung Δlnk/Δ(1/T) ergibt sich aus der letzten Gleichung zu -Ea/R .Somit können wir auch die Aktivierungsenergie Ea berechnen. 5. Zusammenhang zwischen Kinetik und Thermodynamik: Wir tragen wieder die relative Energie über dem Reaktionsverlauf ab. A -> B, dazwischen befindet sich ein Übergangszustand. Zwischen A und B soll nun ein chemisches Gleichgewicht vorliegen. Die Reaktionsenergie von A zu B ist gleich der negativen Reaktionsenergie von B zu A. Reaktionsenergien sind thermodynamische Größen. Die Aktivierungsenergie, die zum Erreichen des Berges von A notwendig ist, bezeichne ich als Ea Pfeil von links nach rechts. Die Aktivierungsenergie, die von B zum Erreichen des Berggipfels notwendig ist, bezeichne ich als Ea Pfeil von rechts nach links. Aktivierungsenergien sind kinetische Größen, denn sie haben etwas mit der Reaktionsgeschwindigkeit zu tun. Aus dem Bild lässt sich eine kleine Gleichung ablesen: Ea-> + ΔEa-> = Ea<-. Bemerkung: Es ist ganz wichtig, vor allem in der Thermodynamik, auf die Vorzeichen zu achten. Immer schauen, ob ihr es mit plus oder Minus zu tun habt und in welchem Kontext. 6. Bedeutung der Aktivierungsenergie: Man kann mit Fug und Recht sagen, dass ohne die Aktivierungsenergie die Welt nicht existieren könnte. Und etwas enger oder chemischer gefasst, jede Reaktion braucht ihre Aktivierung. Betrachten wir einmal die Verbrennung von Benzin und Kohle. Für ihre Verbrennung benötigt man eine gewisse Aktivierung. Beim Benzin reicht ein brennendes Streichholz, während man für die Kohle brennendes Holz benötigt. Das war für euch sicher nicht neu, aber ich glaube das Nächste werdet ihr nicht wissen. Ihr wisst sicher, dass der Diamant und der Graphit 2 Modifikationen des Kohlenstoffs sind. Graphit ist energetisch etwas günstiger, stabiler, ich habe es hier angedeutet. Um aber vom Diamant zum Graphit zu gelangen, benötigt man eine sehr hohe Aktivierungsenergie. Sehr hohe Temperaturen sind dafür notwendig. Also keine Angst ihr Liebhaberinnen und Liebhaber des edlen Schmucks. Bei normalen Bedingungen wandelt sich Diamant niemals in Graphit um. Eine große Rolle spielt die Aktivierungsenergie bei Lebensprozessen wie der Atmung. Auch hier muss eine Aktivierungsbarriere überwunden werden. Im Organismus kann so die Atmung aber nicht ablaufen, die Aktivierungsbarriere ist zu hoch. Damit die Aktivierungsenergie hinreichend klein wird, benötigt man ein bestimmtes Enzym, ich bezeichne es hier einmal als Atmungsenzym. Auf diese Art und Weise wird auch der Prozess der Atmung geregelt. Immer wenn das Enzym als Katalysator wirksam wird, findet die Atmung statt. 7. Zusammenfassung: In diesem Video dreht sich eigentlich alles um die chemische Reaktion im Zusammenhang mit der Aktivierungsenergie. Die Aktivierungsenergie steht in engem Zusammenhang mit der Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion. Dieser Zusammenhang wird quantitativ durch die Arrheniusgleichung erfasst. Wir konnten auch feststellen, dass es einen engen Zusammenhang zwischen Kinetik und Thermodynamik einer Reaktion gibt. Und schließlich besitzt die Aktivierungsenergie eine große Bedeutung für die belebte und unbelebte Natur.  Gerade erst begonnen und schon am Ende. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss.

Aktivierungsenergie Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Aktivierungsenergie kannst du es wiederholen und üben.

  • Beschreibe die Aktivierungsenergie.

    Tipps

    In dem Energiediagramm wird die Energie der Edukte und der Produkte dargestellt. Haben Produkte oder Edukte eine höhere Energie?

    Lösung

    Aktivierungsenergie

    Damit eine Reaktion ablaufen kann, muss die Energie der Edukte (Ausgangsstoffe) höher sein als die Energie der Produkt. Bei manchen Ausgangsstoffen, wie Natrium und Wasser, ist dieser Zustand schon vorherrschend. Bei der Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff muss man erst noch Energie hinzuführen, damit die Reaktion stattfindet. Diese benötigte Energie kann auf unterschiedliche Weise in ein Reaktionsgemisch eingebracht werden.

  • Begründe, welche Veränderungen zu einer Beschleunigung der Reaktion führen.

    Tipps

    Warum setzt man Katalysatoren ein?

    Lösung

    Damit zwei Stoffe miteinander reagieren können, muss die Hürde der Aktivierungsenergie überwunden werden. Wenn eine Reaktion zwischen zwei Stoffen nicht stattfindet, liegt es daran, dass die Teilchen der Edukte (Ausgangsstoffe) diese Hürde nicht überwinden können. Die Teilchen haben dann zu wenig Energie. Die benötigte Aktivierungsenergie ist von Reaktion zu Reaktion unterschiedlich. Bei manchen Reaktionen reicht z.B. eine leichte Erwärmung aus, andere Reaktionen müssen stark erhitzt werden.

    Beispiel: Aluminiumoxid entsteht schon bei Raumtemperatur aus Aluminium und dem Sauerstoff der Luft. Kohlenstoffdioxid hingegen entsteht erst dann aus Kohle, wenn sie verbrannt wird.

  • Berechne die Aktivierungsenergie aus den angegebenen Punkten der Arrheniusgeraden.

    Tipps

    Welche Einheit hat dein Ergebnis?

    Beachte, dass du die 4 Stellen nach dem Komma angibst.

    Lösung

    Zuerst stellst du die Gleichung für die Aktivierungsenergie auf. Aus dem Video weißt du, dass du mit Δln k und Δ1/T, über die Gleichung

    $ \frac{Ea} R = \frac {Δln k}{Δ1/T}$

    die Aktivierungsenergie erhalten kannst.

    Stellst du diese Gleichung nach Ea um, erhältst du:

    $Ea=R \cdot \frac {Δln k}{Δ1/T}$

    Nun notierst du dir die Werte aus der Gleichung, die schon gegeben sind :

    R = 8,314 $ \frac J {mol}$ Δln k = ln 2

    Alle anderen Werte musst du ausrechnen:

    Δ1/T = $\frac 1 {300K}-\frac 1 {310K} $

    Δ1/T = 0,0001

    Jetzt setzt du die Werte ein:

    Ea = 8,314 $ \frac J {mol} \cdot \frac {ln 2 }{0,0001 K}$

    Ea = 53594,28 $\frac J {mol}$

    Zum Schluss musst du die Aktivierungsenergie auf $\frac {kJ} {mol}$ umrechnen.

    $\frac {57628,26 \frac {kJ} {mol}} {1000}$

    Ea = 57,6283 $\frac {kJ} {mol}$

  • Entscheide, welche Stoffkombinationen bei Raumtemperatur miteinander reagieren und welche nicht.

    Tipps

    Was musst du tun, damit Natrium mit Wasser reagiert? Wie ist das bei Sauerstoff und Wasserstoff?

    Lösung

    Wie du nun weißt, ist die Aktivierungsenergie die entscheidende Hürde, die überwunden werden muss, damit eine Reaktion stattfindet. Ist die Aktivierungsenergie zu hoch, findet die Reaktion nur ganz langsam oder überhaupt nicht statt. Mamor wird von Wasser zum Beispiel nicht aufgelöst. Auch dann nicht, wenn wir das Reaktionsgemisch so lange Erwärmen, bis das Wasser kocht. Wegen dieser Beständigkeit gegenüber Wasser eignet sich Mamor gut für Skulpturen, die im Freien stehen. Dieses Gestein wurde in der Antike als Baumaterial für Badehäuser verwendet, weil es auch bei warmer, feuchter Luft oder heißem Wasser keine Veränderung zeigt.

  • Berechne mit der Arrheniusgleichung die Konstante.

    Tipps

    Rechne die Temperatur in Kelvin um.

    Lösung

    Um die Konstante berechnen zu können, musst du die Werte in die Gleichung einsetzen und ausrechnen. Beginne damit, die Temperatur in Kelvin umzurechnen. Dazu addierst du die gegebene Temperatur mit 273,15.

    Bsp.: 25°C + 273,15 = 298,15 K

    $e$ ist die eulerische Zahl. Sie beträgt ungefähr 2,7183. Nun hast du alle Werte, die du benötigst, um k zu berechnen.

    Beispiel: A = 1 T = 25°C => 298,15 K Ea = -5.41 $\frac {J} {mol}$ R = 8,3145 $ \frac J {mol\cdot K}$

    Arrheniusgleichung:

    $k = A \cdot e^{\frac {-Ea}{R\cdot T}}$

    Rechts mit eingesetzten Werten:

    k = 0,998 (Die Einheiten kürzen sich heraus.)

  • Entscheide, welche Aussagen über die Aktivierungsenergie getroffen werden können.

    Tipps

    Wie sah das Diagram aus, an dem man die Steigung berechnet?

    Lösung

    Die Aktivierungsenergie kannst du sehr gut über die Steigung der Geraden in einem Diagramm wie dem abgebildeten berechnen. Auf der y-Achse werden alle Werte für lnk abgebildet und auf der x-Achse alle Werte für 1/T.

    Die Steigung der Geraden: n = $-\frac{Ea}{R}$

    Achtung: In der Kinetik und bei der Berechnung der Aktivierungsenergie wird die Temperatur immer in Kelvin umgerechnet.

    Die Aktivierungsenergie gibt an, wie schnell oder langsam eine Reaktion stattfindet. Hohe Aktivierungsenergien sind ein Zeichen für langsame Reaktionen, weil die Hürde, die die Teilchen überwinden müssen, größer ist.

    Will man die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, so kann man die Temperatur oder die Konzentration der Edukte erhöhen oder einen Katalysator einsetzen.