30 Tage kostenlos testen: Mehr Spaß am Lernen.
30 Tage kostenlos testen

Überzeugen Sie sich von der Qualität unserer Inhalte.

30 Tage kostenlos testen

Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsbedingungen 11:18 min

Textversion des Videos

Transkript Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsbedingungen

Hallo und ganz herzlich willkommen! Die Chemie untersucht chemische Reaktionen. Zunächst interessiert, ob eine Reaktion abläuft oder nicht. Läuft die Reaktion ab, so möchte man wissen, ob dies langsam oder schnell geschieht. Langsam, wie das Rosten von Eisen. Oder schnell wie eine Explosion. Offensichtlich ist die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion von Bedeutung. Man sagt auch: Die "Reaktionsgeschwindigkeit" Was ist das? Betrachten wir allgemein die einfache Reaktion "A reagiert zu B". (A → B) Die Reaktionsgeschwindigkeit "v" gibt an wie schnell die Stoffmenge "nA" an Edukt A abnimmt. Oder: "v" gibt an, wie schnell die Stoffmenge "nB" an Produkt B zunimmt. “Wie schnell” bedeutet “pro Zeiteinheit”. Man könnte die Reaktionsgeschwindigkeit nun definieren: (v = ΔnB /Δt) v ist gleich Delta n B geteilt durch Delta t. Mangel der Definition: Das Volumen “V”, in dem die Reaktion abläuft, bleibt unberücksichtigt. Für die Reaktionsgeschwindigkeit muss die Stoffänderung pro Volumeneinheit eingesetzt werden: (v = ΔnB /V•Δt
v ist gleich Delta n B geteilt durch groß V mal Delta t. Andererseits: (cB = nB /V
Die Konzentration c b ist gleich Delta n B geteilt durch groß V. Also: ΔcB = ΔnB /V
Delta c b ist gleich Delta n B geteilt durch groß V. Wir ersetzen in der Gleichung Delta n B geteilt durch groß V durch Delta c b und erhalten: v = ΔcB /Δt
v ist gleich Delta c B geteilt durch Delta t. Die Konzentration des Produkts nimmt im Verlauf der Reaktion zu (Abbildung 1). In einfachster Näherung linear. Die Steigung der Geraden ist dann gerade die Reaktionsgeschwindigkeit "v". Entsprechend könnte man formulieren: (v = ΔcA/Δt) v ist gleich Delta c A geteilt durch Delta t. Die Konzentration des Edukts nimmt im Verlauf der Reaktion ab (Abbildung 2). Die Steigung der Geraden ist negativ. Man hätte jedoch gerne ausnahmslos v > 0. Daher wird definiert: v = - ΔcA/Δt
v ist gleich minus Delta c A geteilt durch Delta t. Grenzen der Definition Wir stellen fest: v = - ΔcA/Δt
v ist gleich minus Delta c A geteilt durch Delta t. UND: v = ΔcB /Δt
v ist gleich Delta c B geteilt durch Delta t. Beide Gleichungen sind nur korrekt für lineare Abhängigkeiten: Abbildung 2: [cA = fA(t)] c A ist gleich f A von t UND Abbildung 1: [cB = fB(t)] c B ist gleich f B von t. Verallgemeinerung Während der meisten chemischen Reaktionen ist die Reaktionsgeschwindigkeit v nicht konstant: [v ≠ konstant] Das ist äquivalent zu: v ≠ konstant [ c = f(t) nicht linear] Die Konzentration verändert sich mit der Zeit NICHT linear. Graphisch dargestellt, sehen die Veränderungen für cA so (Abbildung 3) und für cB so (Abbildung 4) aus. Betrachten wir cB. v für eine bestimmte Zeit kann nur genähert bestimmt werden. (v ≈ ΔcB /Δt) Man sagt auch "mittlere Änderungsrate". Wenn Δt klein ist, erhält man eine gute Näherung für v. ( Δt klein gute Näherung für v) Die exakte Reaktionsgeschwindigkeit Lässt man nun Δt gegen Null laufen, erhält man für v einen exakten Wert: Δt → 0 v exakt Das bedeutet: v ist die "lokale Änderungsrate" der Konzentration. Oder: v ist die erste Ableitung der Konzentration nach der Zeit: [v = cB´(t)] Man sagt auch: v ist der Differentialquotient [v = dcB/dt] Gesprochen: v ist gleich d c B nach d t. Analog gilt: [v = - cA´(t)] v ist gleich minus c A Strich von t. UND: [v = - dcA/dt] v ist gleich minus d c A nach d t. Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit Zurück zu der Gleichung v ist gleich minus d c A nach d t. [v = - dcA/dt] Diese Gleichung reicht nicht aus. Man strebt nach der Funktion [cA = fA(t)] c A ist gleich f A von t. Um fA(t) konkret zu formulieren, muss man die Ordnung n der chemischen Reaktion kennen. Ich möchte Beispiele dafür anführen: A → ... ein Teilchen reagiert n = 1 A + B → ... zwei Teilchen reagieren n = 2 A + B + C → ... drei Teilchen reagieren n = 3 Für cA = cB = cC löst man entsprechende kleine Differentialgleichungen. Man erhält: cA = cAo● e-kt für n = 1 UND: cA = cAo/(1+ k ● cAo●t) für n = 2 Es gilt: cAo = cA(0)

v ergibt sich durch Ableitung von cA: cA´ = v Die Geschwindigkeitskonstante Betrachten wir beispielgebend für n = 1 die Gleichung [cA = cAo● e-kt] c A ist gleich C A Null mal e hoch minus k mal t. k ist eine Konstante, man nennt sie Geschwindigkeitskonstante. k ist nur konstant, wenn auch die Temperatur T und auch häufig der Druck konstant bleiben. (k = konstant T, p (häufig) = konstant) Je größer k ist, um so schneller läuft eine chemische Reaktion ab: k↖ v↖ Die Halbwertszeit k ist nicht sehr anschaulich. Daher verwendet man häufig die sogenannte Halbwertszeit t1/2. Sie gibt an, nach welcher Zeit die Hälfte an Edukt reagiert hat. Für n = 1 gilt: t1/2 = ln2/k t einhalb ist gleich l n zwei geteilt durch k. Für n = 2 ist die Halbwertszeit konzentrationsabhängig: t1/2 = 1/k● cAo t einhalb ist gleich 1 geteilt durch k mal c A Null. Einige Halbwertszeiten für T = 298 K und cAo = 0,1 mol/l.

Reaktion

        t1/2

H+ + OH- → H2O

6,7●10-11 s

Verseifung von Ethylacetat

9,2 min

N2O5 → NO2 + NO3

6,4 h

Reaktionsbedingungen Die Reaktionsgeschwindigkeit v hängt von den Reaktionsbedingungen ab. Für n = 1 gilt: (v = k●cA) v ist gleich k mal c A. Also: 1. Mit zunehmender Konzentration wird v größer. Die Geschwindigkeitskonstante k ist mit der Temperatur T über die Arrhenius – Gleichung verbunden:

k ist gleich A mal e hoch minus E A durch R mal T. A ist eine Konstante, EA die Aktivierungsenergie, R die Gaskonstante. Halbquantitativ gilt die RGT – Regel (Reaktionsgeschwindigkeit – Temperatur – Regel): (Δt = +10 2v) Bei Erhöhung von T um 10 K verdoppelt sich v. 2. Mit zunehmender Temperatur wird v größer. Bei Feststoffen ist die Teilchengröße von Bedeutung: 3. Pulver reagieren schneller als massives Material. Mitunter ist die gleichmäßige Verteilung der Teilchen bei einer Reaktion nicht gegeben. v wird dann von der Diffusion bestimmt. 4. v kann durch die Diffusion kontrolliert werden. Mechanismus einer Reaktion Manche Reaktion verläuft in einzelnen Schritten, man sagt auch Elementarreaktionen. Die Ordnung einer Elementarreaktion nennt man Molekularität. Sie gibt an, wie viel Teilchen gleichzeitig miteinander reagieren: Eins (monomolekular), zwei (bimolekular) oder selten drei (trimolekular). Als Konsequenz ergeben sich mitunter nicht ganzzahlige Reaktionsordnungen n. Ein Beispiel: CH3CHO → CH4 + CO Hier ist n = 1,5 Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt Es gibt Reaktionen, bei denen eine Elementarreaktion viel langsamer als die übrigen Elementarreaktionen abläuft. Also: k << k1, k2, k3,... Dann wird v für die Gesamtreaktion durch diesen Elementarschritt bestimmt. Die Ordnung n der Reaktion ist gleich der Molekularität des Elementarschrittes: n = Molekularität(k) Das war es schon wieder für heute. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg! Tschüs. Euer André

2 Kommentare
  1. 001

    Liebe Lena,

    wenn du mir verrätst, um welchen der Teil der Übung es sich handelt und wo sich dort die suspekte Stelle befindet, werde ich reagieren.

    Mit freundlichen Grüßen

    André Otto

    Von André Otto, vor mehr als 2 Jahren
  2. Default

    Wie wurde der Exponent ausgerechnet? wenn ich 83140/(8.314x600) eingebe kommt bei mir ca. - 140,5 raus

    Von Lena S., vor mehr als 2 Jahren