Geschwindigkeitsgesetz Reaktionsordnung - Einfluss der Konzentration auf die Geschwindigkeit

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Geschwindigkeitsgesetz Reaktionsordnung - Einfluss der Konzentration auf die Geschwindigkeit
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CC Attribution - NonCommercial 3.0 Germany:
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Identifiers
Publisher
Release Date
2013
Language
German
Production Year
2013
Production Place
Jülich

Content Metadata

Subject Area
Keywords Physikalische Chemie Kinetik
Reaktionskinetik Flue-gas desulfurization Process (computing)
River delta Standard enthalpy of reaction Reaction rate constant Ausgangsmaterial Process (computing)
Solvent Catalytic converter
General chemistry Ausgangsmaterial
Pascal (unit) Chemical reaction
Stoichiometry Reaction rate constant
Molecule Activation energy Reaction rate constant Ausgangszustand
Biochemistry Enzyme Human body temperature Solvent Catalytic converter
Interface (chemistry) Lecture/Conference Sunscreen Ausgangsmaterial Heterogene Reaktion
Elementarreaktion Reaction rate constant Lecture/Conference Reaktionsgleichung Ausgangsmaterial
Stoichiometry Reaction rate constant Lecture/Conference Carbon monoxide Chemical reaction
Ethanol Nitrous oxide Reaction rate constant Maskierung <Chemie> Wehrkraftzersetzung Acetaldehyde
Die Thermodynamik befasst sich damit, ob ein Prozess (Anfangs-Zustand wird zu End-Zustand) überhaupt möglich ist. Die Zeit, die dieser Prozess dauert, spielt in der Thermodynamik keine Rolle, in diesem Sinne ist die Thermodynamik eine "zeitlose Wissenschaft". Demgegenüber ist die Geschwindigkeit eines Prozesses das zentrale Thema die Reaktionskinetik. Kann
ein Prozess (Ausgangsstoffe A zu Endprodukte P) stattfinden? Zur Beantwortung dieser Frage berechnet die Thermodynamik die freie Reaktionsenthalpie (delta G) - also dieses Maß für die Änderung der Instabilität. Wenn delta G kleiner als Null ist (exergonischer Prozess), ist der Prozess spontan möglich, wenn delta G > 0 ist (endergonischer Prozess), können wir uns fragen: Gibt es Parameter, die mir verändern können, um delta G doch noch negativ zu machen. (zum Beispiel Temperatur, Konzentration, Druck) Falls uns das gelingt, können wir das thermodynamische Gleichgewicht
nach rechts verschieben. Gelingt das nicht, ist und bleibt der Prozess unmöglich, solange wir ihn spontan ablaufen lassen wollen. Wenn ein Prozess von der Thermodynamik "grünes Licht" bekommen hat, dann kann die Kinetik die Frage stellen: Wie schnell ist der Prozess? Wie groß ist die Reaktionsgeschwindigkeit r? Ist der Prozess ausreichend schnell - wenn ja, dann läuft er ab. Wenn nein - dann können wir uns fragen, ob es Parameter gibt, die uns helfen die Geschwindigkeit des Prozesses so optimieren (Temperatur, Druck,
Konzentration, Katalysator, Lösemittel, etc.) Wenn wir die
Geschwindigkeit damit anpassen können, läuft der Prozess ausreichend schnell ab. Was ist überhaupt die Reaktionsgeschwindigkeit?
Wir kennen aus der Mechanik die Geschwindigkeit als Veränderung des Ortes mit der Zeit. In der Chemie ist die Geschwindigkeit
definiert als Veränderung der Konzentration mit der Zeit. Wir unterscheiden die Zerfallsgeschwindigkeit des Eduktes r(A) und die Bildungsgeschwindigkeit des Produktes r(B). Wenn wir die Konzentrationen aller Reaktanten gegen die Zeit auftragen (so wie hier), entsprechen die eben erwähnten Geschwindigkeiten den Steigungen dieser Kurven. Sie sehen, dass die Steigung hier nicht konstant ist. Wenn wir uns eine bestimmte
Reaktionszeit anschauen (grün eingezeichnet), dann sehen wir an der roten Kurve die Bildungsgeschwindigkeit von P und an der blauen Kurve die Zerfallsgeschwindigkeit von A (negative Steigung). Die eckigen Klammern [] stehen für ein geeignetes Konzentrationsmaß. Die Einheit der Geschwindigkeit
ist also Mol pro Liter und Sekunde für Reaktionen zwischen gelösten Komponenten. oder Pascal pro Sekunde für
Gasphasen-Reaktionen. Die Bildungs- und Zerfallsgeschwindigkeiten innerhalb einer Reaktion sind nicht unabhängig voneinander, sondern hängen über die Stöchiometrie zusammen. Man kann die "klassische
Reaktionsgeschwindigkeit" als Quotient der Bildungs- oder Zerfalls- Geschwindigkeit und der stöchiometrischen Umsatzzahl definieren. Dann erhält man immer positive Werte
für Reaktionsgeschwindigkeiten. Auf atomarer Ebene kann man sich eine Reaktion zwischen Molekülen wie folgt vorstellen: die Edukt-Moleküle müssen einen Energieberg erklimmen, um sich zu den
Produkten umzuwandeln. Diese Aktivierungsenergie können wir uns als Höhenprofil veranschaulichen, über das jedes einzelne Edukt-Molekül hinüber muss, um zum Produkt-Molekül zu werden. Aus dieser Analogie können wir folgern, dass die Reaktionsgeschwindigkeit abhängen wird - von der Anzahl der Edukt-Teilchen (also von deren Konzentration) - vom Reaktionsprofil, besonders von der Höhe des Energiebergs und - von der Temperatur also von der Energie der Teilchen, mit der sie sich über den Berg bewegen können. Teilchen ohne ausreichende Energie werden sich so wie auf der blauen Kurve verhalten, sie werden den Energieberg ein Stück weit erklimmen, aber sich dann doch wieder zurück zu ihrem Ausgangszustand bewegen. Nur energiereiche Teilchen können über den Energieberg (grüne Kurve) und sich dann zum Produkt umwandeln. Wir fragen uns,
welche Größen auf die Geschwindigkeit einer einfachen Reaktion (A reagiert zu P) haben werden: - das Lösemittel (manche Lösemittel
laufen besonders schnell in polaren Lösemitteln mache besonders schnell in unpolaren Lösemitteln) - der Katalysator (gerade in der Biochemie geht ohne Enzyme fast überhaupt nichts) - die Temperaturen
(sehr großer Einfluss, denn die Temperatur bestimmt bestimmt die thermische Energie der Teilchen) - die Phasengrenzfläche (bei heterogenen Reaktionen; die Auflösungsgeschwindigkeit von Staubzucker in Wasser ist sehr viel schneller als die von Kandiszucker in Wasser) - die Konzentration des Ausgangsstoffes (mehr
oder weniger stark, je nach Reaktionsordnung) Fünf Einflussfaktoren, die evt. komplex zusammen wirken. Wir können die ersten vier Faktoren konstant halten und können sie quasi in einer Reaktions-Geschwindigkeits-Konstante k zusammenfassen. Dann haben wir nur noch die Abhängigkeit von der Konzentration des Edukts (f([A]). Diese Abhängigkeit - Geschwindigkeit als Funktion der Konzentration des Edukts - nennt man das Reaktions-Geschwindigkeits-Gesetz.
Dieses Gesetz muss experimentell ermittelt werden. Wir können es nur in Einzelfällen voraussagen, nämlich für Elementarreaktionen. Häufig werden experimentell Geschwindigkeitsgesetze mit Potenzfunktionen gemessen: r proportional Konzentration [A] hoch a wobei a im Allgemeinen eine kleine ganze Zahl ist. a nennt man die Reaktionsordnung Bei mehreren Edukten kann es für jedes Edukt unterschiedliche Reaktionsordnungen geben. z.B. r proportional [A] hoch a * [B] hoch b a und b sind die Reaktionsordnungen bezüglich der Edukte; wir erhalten die Gesamtordnung, wenn wir a und b addieren. Man hat den Zerfall von N2O5 kinetisch untersucht und festgestellt, dass die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zur Konzentration von N2O5 ist. Wenn wir die N2O5-Konzentration verdoppeln, verdoppelt sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Wenn wir die Konzentration von N2O5 halbieren, halbiert sich die Reaktionsgeschwindigkeit. In Formelschreibweise: r gleich k1 mal [N2O5] hoch 1 Wir haben eine Reaktion Erster Ordnung bezüglich N2O5. Warnung: Wir können das Geschwindigkeitsgesetz NICHT aus der Reaktionsgleichung ablesen. Für eine auf den ersten Blick ähnliche Reaktion - der Zerfall von NO2 - wurde experimentell festgestellt,
dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit sehr viel stärker ändert, wenn wir die Konzentration ändern. Tatsächlich führt eine Verdoppelung der NO2-Konzentration zu einer Vervierfachung der Geschwindigkeit. bei einer Verdreifachung der NO2-Konzentration verneunfacht sich die
Reaktionsgeschwindigkeit. Wir haben einen quadratischen Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit und Konzentration - eine Reaktion Zweiter Ordnung. Zwei Reaktionen mit ähnlicher Stöchiometrie können unterschiedliche Reaktionsordnungen haben. Die Gesamtordnung der Reaktion CO + N2O ist insgesamt
Zweiter Ordnung - Erster Ordnung bezüglich Kohlenmonoxid und
Erster Ordnung bezüglich Distickstoffmonoxid. Die enzymatische Zersetzung von Ethanol im Blut hat eine konstante Reaktionsgeschwindigkeit. Egal wie hoch die Konzentration von Ethanol ist - die Reaktionsgeschwindigkeit ist immer dieselbe. Das heißt, wir haben offensichtlich keine Abhängigkeit zwischen r und [A] Dies ist eine Reaktion Nullter Ordnung. Nicht immer findet man einfache Geschwindigkeitsgesetze mit ganzzahliger Ordnung. Der Zerfall von Acetaldehyd liefert experimentell ein
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