Kinetik 09:19 min

Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um die Kinetik. Gliederung des Videos: 1. Was ist Kinetik? 2. Schnell oder langsam 3. Reaktionsgeschwindigkeit und gibbsfreie Aktivierungsenergie 4. Zeitgesetz und Ordnung einer Reaktion 5. Zusammenhang zwischen Kinetik und Thermodynamik 6. Zusammenfassung   1. Was ist Kinetik? Wenn wir in ein Reagenzglas Silberionen geben und es fällt ein gelbflockiger Niederschlag aus, so haben wir eine Nachweisreaktion erbracht. Jodidionen reagieren mit Silberionen zu Silberjodid. Diese Ionenreaktion erfolgt sehr schnell. Anders verhält es sich bei dieser chemischen Verbindung, Benzaldehyd. Wenn sie in der Luft steht, so oxidiert sie sehr sehr langsam mit dem Sauerstoff der Luft zu Benzoesäure. Benzoesäure entsteht somit sehr langsam. Beide Reaktionen unterscheiden sich durch ihre Geschwindigkeiten. Man sagt auch genauer: Reaktionsgeschwindigkeiten oder abgekürzt RG. Für die erste Reaktion ist RG sehr groß, für die zweite Reaktion ist RG klein. Was ist Kinetik? Die Kinetik befasst sich mit den Geschwindigkeiten chem. Reaktionen, den Reaktionsgeschwindigkeiten. 2. Schnell oder langsam Bei einer einfachen chemischen Reaktion A zu B nimmt die Konzentration von A stetig ab, während die Konzentration von B stetig zunimmt. Der absolute Wert der Konzentration ist für die Beschreibung der Reaktion nicht ausreichend. Wichtiger ist es, die Veränderung von C zu beschreiben. Das geschieht durch bilden der 1. Ableitung: RG = - dA / dt, die Reaktionsgeschwindigkeit ist die negative 1. Ableitung der Konzentration von A nach der Zeit. Genauso kann man definieren: RG = dB / dt. Das negative Vorzeichen wird benutzt, damit die Reaktionsgeschwindigkeit stets größer als 0 ist. Durch diese Definition ist es möglich, die Reaktionsgeschwindigkeit einer chem. Reaktion zu berechnen oder experimentell zu bestimmen. 3. Reaktionsgeschwindigkeit und gibbsfreie Aktivierungsenergie Nehmen wir an, wir haben eine chem. Reaktion bei der A zu B reagiert und A zu C. Im ersten Fall bei der Bildung von B soll die Aktivierungsbarriere, d. h. der Übergangszustand, relativ niedrig liegen. D. h., die gibbsfreie Aktivierungsenergie ist klein. Bei der zweiten Reaktion liegt der Übergangszustand ziemlich hoch. Die gibbsfreie Aktivierungsenergie ist groß. B bildet sich schnell, während die Bildung von C nur langsam vorangeht. Je höher die gibbsfreie Aktivierungsenergie um so geringer ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Wer vertiefendes Material zu diesem Thema sehen und hören möchte, kann sich das Video Eyring-Gleichung anschauen. 4. Zeitgesetz und Ordnung einer Reaktion Für die einfache chemische Reaktion A reagiert zu B können wir schreiben: RG =-dA/dt= k * A. Wir können formal schreiben hoch 1. Es handelt sich hier um eine Reaktion erster Ordnung. Die Geschwindigkeit wird bestimmt durch die Konzentration hoch 1. k ist eine von der Reaktion unabhängige Konstante, es ist die Geschwindigkeitskonstante. Wenn man die Gleichung integriert, erhält man: Konzentration A= Konzentration A bei der Zeit 0 mal e^-kt. Für eine derartige chem. Reaktion erster Ordnung ist es sinnvoll, eine Halbwertzeit T1/2 einzuführen. Das ist die Zeit, bei der die Hälfte der Substanz zerfallen ist. Man kann zeigen, das gilt: T1/2=ln2/k. Die Halbwertzeit ist für die Reaktion erster Ordnung nicht zeitabhängig, sie ist eine Konstante. Betrachten wir die Reaktion A+B reagiert zu C+D. Nehmen wir an, dass die Geschwindigkeit dann beschrieben wird. RG= kA¹B¹. Wir haben es hier mit einer Reaktion zweiter Ordnung zu tun. Für manche experimentelle Belange greift man auf einen Trick zurück. Man setzt als Konzentration für A einen Wert ein, der viel größer ist als die Konzentration für B. Daraus ergibt sich, dass die Konzentration für A im Verlauf der Reaktion praktisch als konstant anzusehen ist. Unter Berücksichtigung dieser Bedingung und unter Verwendung von Gleichung Stern erhalten wir: RG=kB. Man kann auch schreiben hoch 1. Wir haben es hier mit einer Reaktion pseudoerster Ordnung zu tun. Folgende wichtige Bemerkung möchte ich machen: Es gibt zwei Begriffe, die häufig miteinander durcheinandergebracht werden. Molekularität und Ordnung. Molekularität kann Ordnung sein, aber nur für den Fall, dass die Elementarreaktion, die wir betrachten, auch die Gesamtreaktion ist. Wenn die Elementarreaktion nicht die Gesamtreaktion ist, so ist die Molekularität nicht gleich Ordnung einer chemischen Reaktion. Das für alle die, die sich besonders mit Kinetik befassen wollen. Zum Schluss betrachten wir noch eine Kette aufeinanderfolgender chemischer Reaktionen. A reagiert zu B, B zu C und C zu D. Determiniert werden die Geschwindigkeiten durch k1, k2 und k3, die entsprechenden Geschwindigkeitskonstanten. Es gelte: k2 ist kleiner als k3 ist kleiner als k1. In einem solchen Fall wird die Gesamtgeschwindigkeit dieser Reaktion bestimmt durch die langsamste Reaktion. Nämlich durch den Übergang von B zu C, durch k2. Diese Teilreaktion von B nach C bezeichnet man als geschwindigkeitsbestimmenden Schritt. 5. Zusammenhang zwischen Kinetik und Thermodynamik Nehmen wir an, wir haben eine einfache chemische Reaktion, A reagiert zu B als Hinreaktion mit kH und B reagiert wieder zu A als Rückreaktion mit kR. Es ergeben sich für die Geschwindigkeiten VH = kH mal Konzentration von A. Und VR=-kR mal Konzentration von B. Damit zwischen A und B ein chemisches Gleichgewicht vorliegt, muss gelten:  VH=VR. Wir setzen nun die rechten Seiten der Gleichung ein und formen um. Nach einigen Umformungen und unter der Berücksichtigung, dass kH durch kR als K, nämlich die Gleichgewichtskonstante definiert ist, erhalten wir: K= Konzentration von B dividiert durch Konzentration von A. Wir haben somit das Massenwirkungsgesetz für einen einfachen Spezialfall kinetisch hergeleitet. 6. Zusammenfassung Die Kinetik befasst sich mit der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Es gibt schnelle chemische Reaktionen, die Ionenreaktion beim Nachweis von Jodid oder die Oxidation von Benzaldehyd mit dem Sauerstoff der Luft, der zu Benzoesäure führt. Das ist eine langsame Reaktion. Man kann an der einfachen Reaktion von A nach B definieren, was man unter Reaktionsgeschwindigkeit zu verstehen hat. Das kann einmal sein: minus die 1. Ableitung der Konzentration von A nach t oder als zweite Möglichkeit, die Ableitung der Konzentration von B nach t. Betrachtet man zwei chemische Reaktionen, so ist die Reaktion von den beiden schneller, die eine geringere gibbsfreie Aktivierungsenergie hat. Unter Ordnung einer chemischen Reaktion versteht man die Potenz, mit der die geschwindigkeitsbestimmenden Konzentrationen in die Zeitgleichung eingehen. Man unterscheidet verschiedene Ordnungen. Wichtig sind Reaktionen 1. Ordnung und Reaktionen 2. Ordnung. Für die Reaktion 1. Ordnung ist es sinnvoll, die Halbwertzeit zu definieren. Bei großem Überschuss einer der Konzentrationen, der Edukte, erhält man aus der Reaktion 2. Ordnung eine Reaktion pseudoerster Ordnung. Bei einer Reaktionskette nacheinander erfolgender Reaktionen ist die Reaktion entscheidend, die am langsamsten abläuft. Man spricht dann vom geschwindigkeitsbestimmenden Schritt. Kombination der Kinetik mit der Thermodynamik ergibt als Ergebnis das Massenwirkungsgesetz. Ich danke für die Aufmerksamkeit, alles Gute, auf Wiedersehen.