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Mechanismus einer Folgereaktion (BODENSTEINsches Quasistationaritätsprinzip für instabile ZwiPros) - Der langsamste Schritt ist geschwindigkeitsbestimmend

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Eine Folgereaktion besteht aus mindestens zwei Elementarreaktionen - der Bildung und in dem Zerfall eines Zwischenproduktes. Beispielsweise kann Aceton zu einem reaktiven Zwischenprodukt
(lila) reagieren. Das Zwischenprodukt zerfällt weiter in Ethylen und Kohlenmonoxid. Eine Folgereaktion kann
auch physikalische Teilschritte beinhalten. Die heterogene Katalyse ist eine komplexe Folgereaktion mit Diffusions- und Adsorptions-Teilschritten. Eine einfache Folgereaktion aus zwei Schritten sieht im
mechanischen Modell folgendermaßen aus: Wir betrachten drei Flüssigkeits-Behälter, deren Füllstand jeweils für die Konzentrationen von [A], [B] und [C] stehen. Mit zwei Gefäßen oder Pipetten k und k´ wird Flüssigkeit von Behälter A in B bzw. von Behälter B in C transportiert. Wie variieren die Flüssigkeitsstände in den einzelnen Behältern, z.B. in Abhängigkeit von der Größe der Transportgefäße?
Im einfachsten Fall besitzen beide Schritte eine Kinetik
Erster Ordnung Die Bildungsrate (grün) des Zwischenproduktes ist k[A]; die Zerfallsrate (rot) errechnet sich zu k´[B]. Durch Kombination der Quelle und Senke erhalten wir das Geschwindigkeitsgesetz der Folgereaktion. Nach Integration
des Geschwindigkeitsgesetzes ergibt sich für den Reaktant [A]
eine einfache exponentielle Abnahme der Konzentration.
Die Integration bezüglich des Zwischenproduktes [B] gestaltet sich schwieriger. Wir gelangen zu dieser Gleichung, welche die Kombination zweier e-Funktionen beinhaltet. Die Konzentration von [C] folgt dann aus der Stöchiometrie.
Wenn die Zerfallsrate des Zwischenproduktes langsam ist (wenn wir also ein relativ stabiles Zwischenprodukt betrachten) sehen die Konzentrations-Zeit-Kurven wie folgt aus. Interessant ist insbesondere die Kurve für [B] (rot): Die Konzentration des Zwischenproduktes steigt zunächst an, nach
Durchschreiten eines Maximums fällt die Konzentration exponentiell ab. Die Konzentrationskurve des des Endproduktes [C] folgt einem S-förmigen Verlauf. Bei stabilem Zwischenprodukt ist k´<<k und wir können im Reaktionsprofil E(A)<E(A)´ zeichnen. Mit einigen Vereinfachungen ergibt sich, dass die Konzentration von [C] kinetisch nur von k´ abhängt. Bei instabilem Zwischenprodukt kehren sich die Verhältnisse um: k << k´ im Reaktionsprofil ist l E(A)>E(A)´ und die Konzentration von [C] hängt (mit einigen Vereinfachungen) nur von k ab.
Offensichtlich bestimmt immer die langsamste Teilreaktion die Gesamtkinetik. Das ist das Prinzip des Geschwindigkeits- bestimmenden Schrittes: Bei Folgereaktionen bestimmt der langsamste
Teilschritt die Gesamtkinetik. Dieses Prinzip heißt auch Flaschenhalsprinzip. Ähnliche
Effekte kennt man auch von nicht-chemischen Prozessen, etwa beim Datentransport. Der langsamste Teilschritt bestimmt
die Datentransportrate. Für den Fall eines instabilen
Zwischenproduktes sehen die Konzentrations-Zeit-Kurven
etwas anders aus. Interessant ist der Konzentrationsverlauf des Zwischenproduktes. Dessen Konzentration ist sehr gering und zeitlich ungefähr konstant. Dies ist die
Aussage des BODENSTEINschen Quasistationaritätsprinzip: Die Bildungsrate und die Zerfallsrate eines instabilen Zwischenproduktes sind ungefähr gleich. d[B]/dt ist also ungefähr Null.
Im Reaktionsprofil äußert sich ein instabiles Zwischenprodukt durch eine kleine Aktivierungsenergie E(A)´ (im
Vergleich zu E(A)) Bei einem stabilen Zwischenprodukt sind die Verhältnisse umgekehrt. (Zusammenfassung Folgereaktion)
Ethylen
Pipette
Heterogene Katalyse
Aktivierungsenergie
Sukzessivreaktion
Stöchiometrie
Kohlenmonoxid
Aceton
Vorlesung/Konferenz
Physikalische Chemie
Sukzessivreaktion
Zwischenprodukt
Konzentration
Elementarreaktion
Ader <Geologie>

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Mechanismus einer Folgereaktion (BODENSTEINsches Quasistationaritätsprinzip für instabile ZwiPros) - Der langsamste Schritt ist geschwindigkeitsbestimmend
Serientitel Einführung in die Reaktionskinetik
Autor Lauth, Günter Jakob
Mitwirkende Lauth, Anika (Medientechnik)
Lizenz CC-Namensnennung - keine kommerzielle Nutzung 3.0 Deutschland:
Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt zu jedem legalen und nicht-kommerziellen Zweck nutzen, verändern und in unveränderter oder veränderter Form vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen, sofern Sie den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen.
DOI 10.5446/15620
Herausgeber Günter Jakob Lauth (SciFox)
Erscheinungsjahr 2013
Sprache Deutsch
Produktionsjahr 2013
Produktionsort Jülich

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik
Schlagwörter Physikalische Chemie
Kinetik

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