Bestand wählen
Merken

Reaktionsprofil und Aktivierungsenergie - Einfluss der Temperatur auf die Geschwindigkeit

Zitierlink des Filmsegments
Embed Code

Automatisierte Medienanalyse

Beta
Erkannte Entitäten
Sprachtranskript
Die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur für unterschiedliche Reaktionen ist sehr ähnlich und diese Abhängigkeit werden wir jetzt quantifizieren.
Die Aushärtungszeit eines Klebstoffs wird dramatisch reduziert, wenn wir die Temperatur von 20°C über 40°C auf 70°C erhöhen. In der
grafischen Auftragung sehen wir, dass die Geschwindigkeitskonstante offenbar in einer exponentiellen Funktion mit der Temperatur ansteigt. Von VAN´T HOFF stammt
die Faustregel, dass bei 10 Kelvin höherer Temperatur eine Reaktion doppelt so schnell abläuft. Eine weitere Erhöhung der Temperatur um 10 Kelvin bedeutet dann also eine weitere Erhöhung um den Faktor zwei. ARRHENIUS fand empirisch
die nach ihm benannte Gleichung k = A mal e hoch minus E(A) durch R*T für den Zusammenhang zwischen k und T. ARRHENIUS hat also zwei Konstanten eingeführt, welche den Zusammenhang zwischen Geschwindigkeitskonstante k und Temperatur T quantifizieren sollen. Die Konstante E(A) ist die Aktivierungsenergie - eine Art Energieschwelle, deren Überschreiten notwendig ist, damit die Reaktion stattfindet. Und A ist der Frequenzfaktor oder präexponentielle Faktor (der die gleiche Einheit wie die Geschwindigkeitskonstante k besitzt) und der angibt, wie schnell die Reaktion bei unendlich hoher Temperatur
wäre. Wenn man sich eine Reaktion energetisch in einem sogenannten Reaktionsprofil visualisiert, zeichnen wir die potenzielle Energien der Reaktanten (Edukte) und der Produkte sowie des Aktivierungsberges dazwischen. Das Maximum heißt Übergangszustand #. Der energetische Unterschied zwischen Reaktanten und Übergangszustand ist
die Aktivierungsenergie E(A). Die experimentelle Ermittlung der ARRHENIUS-Parameter A und E(A) ist eine Standardprozedur in der Kinetik. Wir vermessen eine Reaktion bei verschiedenen Temperaturen hinsichtlich ihrer Reaktionsgeschwindigkeitskonstante und erhalten den bekannten exponentiellen Anstieg. Wir können
die ARRHENIUSsche Gleichung mathematisch umformen und den Logarithmus von k gegen den Kehrwert von T auftragen. Dann erhalten wir eine Gerade, aus deren Steigung wir die Aktivierungsenergie erhalten können und aus deren Achsenabschnitt wir den Frequenzfaktor ermitteln können. Die Auftragung
ln(k) gegen 1/T heißt sogar ARRHENIUS-Auftragung - die Steigung entspricht minus Aktivierungsenergie durch Gaskonstante R. Mit dieser Auftragung können wir
auch Reaktionsgeschwindigkeiten für beliebige Temperaturen interpolieren oder oder extrapolieren. Der Zerfall von Ethylamin erfolgt nach einer Kinetik Erster Ordnung. Die Reaktion wurde bei verschiedenen Temperaturen untersucht hinsichtlich ihrer Geschwindigkeitskonstante und dann wurden die Logarithmen der Geschwindigkeitskonstanten gegen die Kehrwerte der Temperaturen aufgetragen (in der ARRHENIUS-Auftragung). Wir erkennen, dass wir eine Ausgleichsgerade als Trendlinie durch die Messpunkte legen können. Die Steigung dieser Geraden ist - 21217 K. Daraus können wir die Aktivierungsenergie bestimmen (E(A) beträgt einfach Gaskonstante R mal minus Steigung m) Wir errechnen eine Aktivierungsenergie von 176 kJ/mol Für den Frequenzfaktor benötigen wir den Achsenabschnitt.
Dieser beträgt 25,12. Daraus berechnen wir den Frequenzfaktor zu e^25,12 oder 8,2*10^10 8,2*10^10 1/s. Wir
haben jetzt einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeitskonstante und der
Temperatur. Wir können also den Umsatz bzw. Reaktionszeiten der Reaktion für beliebige Temperaturen rechnerisch ermitteln.
Viele chemische und physikalische Prozesse haben eine Aktivierungsenergie, die sich nach ARRHENIUS ermitteln lässt: Immer dann, wenn thermische Energie benötigt
wird, um eine Aktivierungs- Schwelle zu überschreiten, erhalten wir ARRHENIUS-Verhalten.
Wir wollen uns eine SN2-Reaktion mikroskopisch etwas genauer anschauen. Wir
starten mit den Ausgangsstoffen Methylbromid und Hydroxid. Wenn sich die beiden Reaktanten annähern, wird die Bindung zwischen Kohlenstoff und Brom nach und nach immer schwächer - die Bindung zwischen Kohlenstoff und Hydroxid nach und nach
immer stärker. Energetisch gesehen geht es für die beteiligten Atome zunächst einmal bergauf: Wir müssen ein Molekül verzerren, Bindungen dehnen, um vom Reaktant zum Produkt zu gelangen. Schließlich bildet sich der geometrische Endzustand immer mehr aus. Energetisch geht es jetzt wieder bergab und schließlich landen
wir bei den Produkten. Das Maximum an Energie - die hier in der Mitte dargestellte Struktur - nennen wir Übergangszustand oder auch aktivierten Komplex und symbolisieren ihn mit einem Doppelkreuz ("hashtag" #). Eine chemische Reaktion besteht also auf der Bildung und dem Zerfall eines aktivierten Komplexes. Als Beispiel sei hier die Reaktion von Iodwasserstoff zu Iod und Wasserstoff genannt. Ein wichtiges Hilfsmittel zur Visualisierung von Reaktionen auf mikroskopischer Ebene ist das Reaktionsprofil: Wir zeichnen als horizontale Achse die sogenannte Reaktionskoordinate. Dies ist eine geometrische Koordinate (und nicht etwa die Zeit!) und auf der vertikalen Achse zeichnen wir die potenzielle Energie. Wir starten mit den Reaktanten (Edukten), dann werden die Bindungen gedehnt, die Geometrie wird verzerrt, wir erreichten das energetische Maximum - den Übergangszustand, und dann geht es energetisch wieder bergab. Bei einer exothermen Reaktion - so wie hier - liegen die Produkte energetisch unterhalb der Reaktanten. Wir können in diesem Diagramm die Aktivierungsenergie E(A) ablesen - der Energieunterschied zwischen dem aktivierten Komplex und den Reaktanten. Weiterhin erkennen wir die Reaktionsenthalpie, der Energieunterschied delta H zwischen Reaktanten und Produkten. Delta H ist eine thermodynamische Größe; die Aktivierungsenergie E(A) ist eine kinetische Größe. Die Darstellung betrifft den atomaren Bereich: Die Kurve beschreibt die potentielle Energie von 4 Atomen in unterschiedlicher Geometrie - angefangen als 2 Moleküle HI als Ausgangsstoffe bis zu je einem Molekül H2 und I2 als Endprodukte. Hier ist symbolisch eine Substitutionsreaktion dargestellt: Ausgangsmoleküle sind
B-C und A; Produktmoleküle sind A-B und C. Wir können jetzt ein mehrdimensionales Energieprofil zeichnen - die potentielle Energie auftragen gegen geeignete geometrische Größen, wie z.B. den Abstand A...B (r(AB)) und den Abstand B...C (r(BC)). Wir erhalten eine Energiefläche (oder Hyperfläche bei mehr als 2 geometrischen Variablen). Die Geometrie der Reaktanten (Edukte) befindet sich bei kleinem r(BC) und großen r(AB), also an dieser Stelle in einem Minimum der Energiefläche. der Abstand B...C ist klein, der Abstand A...B ist groß Die Geometrie der Produkte finden wir hier lokalisiert, auch in einem Minimum. Der Abstand A...B ist hier klein; der Abstand B...C ist hier groß. Wenn wir die chemische Reaktion von den Reaktanten zu den Produkten durchführen, machen wir auch atomarer Ebene nichts anderes als ein Um-Arrangieren der Atome, d.h. wir bewegen und auf der Energiefläche von hier (Reaktantenmoleküle) nach hier (Produktmoleküle). Es gibt unendlich viele Wege von hier und hier auf der Energiefläche; EIN Weg zeichnet sich aber dadurch aus, dass er mit dem geringsten Energieaufwand verknüpft ist. Dieser besondere Weg, der in einem Energiegraben auf der Fläche verläuft, heißt Reaktionskoordinate. Man kann sich die Energie(hyper)fläche auch als Höhenprofil visualisieren, dann hätten hier die Reaktionskoordinate (in grüner Farbe) hier einzuzeichnen. Die blaue Linie führt zwar auch von den Reaktantenmolekülen zu den
Produktmolekülen, aber dies ist mit deutlich mehr Energieaufwand verknüpft als die grüne Linie. (Die grüne Linie ist die Reaktionskoordinate) Der Übergangszustand entspricht dem Maximum der Reaktionskoordinate - auf der Energie(hyper)fläche entspricht er einem Sattelpunkt. Wenn wir eine Reaktion beschleunigen wollen, müssen wir entweder den Reaktanten (Edukten) mehr Energie mitgeben (damit
sie leichter zum Übergangszustand gelangen können) oder wir müssen die
Energie des Übergangszustands absenken. Genau das macht ein Katalysator. Ein
Katalysator führt die Reaktanten zu denselben Produkten, aber über einen energetisch günstigeren Umweg. Die Reaktanten reagieren zunächst zu einem Katalysator-Addukt. Dann geschieht die Umwandlung zum Produkt; das Produkt-Addukt spaltet sich und der Katalysator wird wieder frei gesetzt (Sozusagen recycled); der Katalysator taucht in der Brutto-Reaktionsgleichung nicht auf. Wir gehen bei der Katalyse einen komplizierteren Weg zwischen Reaktant und Produkt, wir haben insgesamt zwei Zwischenprodukte, die als Energieminima im Profil auftauchen; wir haben insgesamt drei aktivierte Komplexe, die als Maxima im Energieprofil auftauchen. Aber wir haben eine deutliche Verringerung der Aktivierungsenergie und damit eine Beschleunigung des Gesamtprozesses. (Zusammenfassung Reaktionsprofil und Aktivierungsenergie) Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit kann nach ARRHENIUS beschrieben werden. Aktivierungsenergie E(A) und Frequenzfaktor A sind die beiden ARRHENIUSschen Kenngrößen. Man kann sie aus dem sog. ARRHENIUS-Diagramm erhalten (einer Auftragung von ln(k) gegen 1/T).
Methylbromid
Brom
Chemische Reaktion
Hydroxide
Energiehyperfläche
Bindungsenergie
Atom
Körpertemperatur
Übergangszustand
Temperaturabhängigkeit
Vorlesung/Konferenz
Molekül
Delta
Exothermie
Sonnenschutzmittel
Kohlenstoff
Aktivierungsenergie
Reaktionsführung
Zwischenprodukt
Ausgangsmaterial
Arrheniussche Gleichung
Reaktionsgeschwindigkeit
Katalyse
Substitutionsreaktion
Klebstoff
Ethylamin
Katalysator
Chemischer Prozess

Metadaten

Formale Metadaten

Titel Reaktionsprofil und Aktivierungsenergie - Einfluss der Temperatur auf die Geschwindigkeit
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 10.5446/15623
Herausgeber Günter Jakob Lauth (SciFox)
Erscheinungsjahr 2013
Sprache Deutsch
Produktionsjahr 2013
Produktionsort Jülich

Inhaltliche Metadaten

Fachgebiet Physik
Schlagwörter Physikalische Chemie
Kinetik

Ähnliche Filme

Loading...
Feedback