Anorganische Chemie für Schüler/ Reaktionskinetik

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Einleitung - Was ist eine chemische Reaktion?

Zu Beginn etwas rotes Feuer:

V: Kaliumchlorat, Zucker und Strontiumnitrat werden vermischt und mit etwas Schwefelsäure zur Reaktion gebracht.

B: rote Stichflamme.

S: Spontan ablaufende Reaktion.

Was sind die Grundlagen der Reaktion?

Der Kennzeichen einer chemischen Reaktion

Definition Mittelstufenunterricht: „Bei chemischen Reaktionen finden eine Stoffumwandlung und eine Energieumwandlung statt“.

Definition Oberstufe: Chemische Reaktionen erkennt man z.B. durch:

  • Elektronenübertragung(Redoxreaktionen, Elektrolysen)
  • Protonenübertragung(Protolyse, Säure-Base-Reaktion)
  • Spaltung von Stoffen(Cracken, Explosion z.B. TNT)
  • Umlagerung von Gitterbausteinen(z.B. monokliner - rhombischer Schwefel / Graphit - Diamant)
Beispiel
Fällungsreaktion von AgCl:

Bisher fand immer eine Untersuchung der beteiligten Stoffe und der beteiligten Energie statt. Aber man kann eine Reaktion auch unter weiteren Aspekten betrachten. In diesem Kurs werden Reaktionsgeschwindigkeiten ebenfalls beobachtet und analysiert.

Schnelle Reaktionen: Knallgasprobe, Ausfällung von AgCl

Langsame Reaktionen: Rosten von Eisen, alkoholische Gärung, Assimilation grüner Pflanzen

Das Problem ist dabei jeweils
Wie kann man die Reaktionsgeschwindigkeit messen?
  • Verbrennen von Papier und beobachten
  • Was hat sich geändert in dieser Zeit → Stoffmenge / Konzentration
Reaktionskinetik befasst sich mit der Geschwindigkeit von Reaktionen
Aufgaben
  1. Erkläre/ definiere die folgenden Begriffe:
  • Chemische Reaktion und ihre Erkennungsmerkmale
  • Aktivierungsenergie und Reaktionsenergie (ab jetzt Reaktionsenthalpie genannt)
  • Endotherme sowie exotherme Reaktionen sowie Energiediagramm
  • Standard- und Normalbedingungen
  • Reaktionsgeschwindigkeit
  • Oxidation, Reduktion, Redoxreaktion
  • angeregter Zustand sowie Lichtemission
  • Energieformen

Energiebeteiligung bei chemischen Reaktionen

Bei jeder chemischen Reaktion spielt die Umwandlung von Energie eine Rolle. Entweder wird Energie freigesetzt, die z.B. vorher in den Ausgangsstoffen enthalten war, oder Energie wird zum Ablauf der Reaktion benötigt und somit dem System entzogen.

a) Energiediagramm (exotherme Reaktion)

Energiediagramm exotherm OC.svg Aktivierungsenergie (ΔHA), notwendig zum Auslösen der Reaktion

Reaktionsenthalpie (ΔHR), Energieüberschuss, der bei exothermen Reaktionen frei wird

Gesamt freiwerdende Energie (ΔHG)

Chemische Reaktionen, die unter Energieabgabe ablaufen heißen exotherme Reaktionen. Die freiwerdende Energie kann dabei als Wärme, Licht oder in anderen Formen vorliegen. Sie wird auch als Reaktionsenthalpie (ΔH) bezeichnet.

Chemische Reaktionen, bei denen ständig Energie zugeführt werden muss, damit sie überhaupt ablaufen, nennt man endotherme Reaktionen.

b) Energiediagramm (endotherme Reaktion)

Energiediagramm endotherm OC.svg

Zusatzinformationen

Das freiwillige Ablaufen einer chemischen Reaktion wird durch die Gibbs-Helmholtz-Gleichung vorausgesagt. Sie bestimmt die freie Enthalpie (ΔG), welche nicht mit der Reaktionsenthalpie (ΔH) verwechselt werden sollte. ΔS gibt in dieser Gleichung übrigens die natürliche „Unordnung“ an, die Entropie.

Wenn ΔG < 0 ist, kann die Reaktion freiwillig ablaufen. Solche Reaktionen nennt man exergonisch. Dies ist besonders bei exothermen Reaktionen der Fall, da sie einen negativen Wert für ΔH haben. Endergonische Reaktionen hingegen laufen nicht freiwillig ab.

 Freie Enthalpie  Enthalpie  Gibbs-Helmholtz-Gleichung  Reaktionsenthalpie  Normalbedingungen  Standardbedingungen

Was ist die Reaktionsgeschwindigkeit?

Es gibt Reaktionen, die laufen schnell ab:

V: Fällungsreaktion von Silbernitrat mit Salzsäure

Reaktionen, die langsam ablaufen: V: RG mit Thiosulfat und HCl (untergehende Sonne - in kleinem Becherglas mit Kreuz):

Video anschauen

Die Reaktionsgeschwindigkeit chemischer Reaktionen ist u.a. von den chemischen Eigenschaften der Reaktionspartner abhängig.

Schülerversuch: Untersuchung der Reaktion von Thiosulfationen mit Säure

V: Es werden 1g Natriumthiosulfat in 100ml Wasser aufgelöst. Diese wird auf 4 kleine 100ml Bechergläser verteilt.

Die Reaktionen beginnen jeweils, wenn etwas HCl zu den einzelnen Lösungen zugefügt wird. Ein Kreidekreuz auf dem Experimentiertisch dient als optisches Merkmal für den Schlusspunkt der Messung.

BG1: 20ml Natriumthiosulfatlösung werden mit HCl versetzt

BG2: 20ml Natriumthiosulfatlösung + 20ml Wasser werden mit HCl versetzt

BG3: 20ml Natriumthiosulfatlösung + 40ml Wasser werden mit HCl versetzt

BG4: 20ml Natriumthiosulfatlösung werden auf das doppelte der Raumtemperatur erhöht und mit HCl versetzt

Beobachtung Schlussfolgerung
Konzentrations­abhängigkeit Eine Verringerung der Konzentration um die Hälfte verlangsamt die Reaktionsdauer ca. um die Hälte Je höher die Konzentration, desto eher kommt es zu wirksamen Zusammenstößen zwischen den Thiosulfationen und den Oxoniumionen.  die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zu.
Temperatur­abhängigkeit Eine Erhöhung der Lösungstemperatur beschleunigt die Reaktionsdauer ca. auf ca. das Doppelte. Je höher die Temperatur, desto stärker ist die Eigenbewegung der Teilchen der Lösung (in diesem Fall der S2O32- und der H3O+-Moleküle). Je stärker ihre Eigenbewegung ist, desto eher kommt es zu wirksamen Zusammenstößen zwischen ihnen.  die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zu.

Messung der Reaktionsgeschwindigkeit

V: Beispielversuch: Verbrennen von Papier - Messung des entstehenden Kohlenstoffdioxids

Steigung-Reaktionsgeschwindigkeit.svg

Geschwindigkeit der Papierverbrennung

Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit grafisch:

Steigungsdreieck anlegen, abmessen und ausrechnen. Je kleiner das Steigungsdreieck dabei wird desto genauer wird dabei die momentane Geschwindigkeit bestimmt. Die Steigung entspricht der Tangente.

Unter der Reaktionsgeschwindigkeit versteht man die Änderung der Konzentration eines Reaktionsteilnehmers (Δc) in einer bestimmten Zeiteinheit (Δt).

Bei abnehmender Konzentration bekommt der Quotient ein negatives Vorzeichen.

Die momentane Geschwindigkeit:

Exkurs: Geschwindigkeit und ihre Messung in der Physik:

a) gleichförmige Bewegung:

Gleichförmige Bewegung.svg

Geschwindigkeit = Weg / ZeitV = Δs / Δt

Geradensteigung m = Δy/ Δx

b) ungleichförmige Bewegung:

Ungleichförmige Bewegung.svg

ΔS verändert sich bei konstantem Δt

mittlere Geschwindigkeit = V = Δs / Δt

momentane Geschwindigkeit: lim (t->0) Δs / Δt = ds/dt

In der Chemie haben wir es mit Reaktionen zu tun.

→ Was könnte hier als Zeichen für die Reaktionsgeschwindigkeit ändern ?

Die Konzentrationsabnahme von Edukten bzw. die Konzentrationszunahme der Produkte eigenen sich, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu bestimmen. (Entstehen eines Produktes, Verschwinden eines Eduktes). Ersatzweise kann bei Gasreaktionen auch die Zu- bzw. Abnahme des Volumens gemessen werden. (Bei Farbreaktionen kann der Trübungsgrad durch ein Photometer gemessen, verwendet werden.)
Gut geeignet
  • Reaktionen, bei denen ein Gas entsteht
  • Reaktionen mit Farbänderungen
Grundsätzlich kann man die Reaktionsgeschwindigkeit über das Entstehen der Produkte und das „Verschwinden“ der Edukte erfassen.

Die Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit

a) Einfluss des Verteilungsgrades auf die Reaktionsgeschwindigkeit

V: Gleiche Volumina von Alkohol (Spiritus) wird in einer kleinen (oder einem engen Becherglas) und einer großen Verbrennungsschale (bzw. auf dem Lehrertisch) entzündet.

EtOH-Verdunstungsexperiment.svg

B: Der Alkohol im engen Becherglas brennt deutlich länger.

Warum brennt der Alkohol im Glas länger?

→ Die Kontaktfläche an der die Verbrennung stattfindet, ist im 2. Versuch größer.

Die Kontaktoberfläche Ethanol/Luft ist für die Reaktionsgeschwindigkeit entscheidend.

Sauerstoff kann nur an der Oberfläche an der Verbrennung teilnehmen

S: Die Reaktionsgeschwindigkeit dieser Verbrennung ist von Größe der Flüssigkeitsoberfläche abhängig, an der Luft und Alkohol in Kontakt stehen.

(Grund: O2 kann nur an der Oberfläche mit dem Ethanol reagieren)

Bei Reaktionen, die in einer Phase ablaufen nennt man homogenen Reaktionen. Befinden sich die Reaktionspartner in verschiedenen Phasen, so spricht man von heterogenen Reaktionen. Bei heterogenen Reaktionen wächst die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Oberfläche an der die Reaktionspartner miteinander Kontakt haben.
Aufgaben
  1. Welcher wichtige Umwelteinfluss könnte die Reaktionsgeschwindigkeit noch beeinflussen?
    • Temperatur
  2. Zeichne Kurven der Reaktionsgeschwindigkeit beider Verbrennungen in ein Diagramm

b) Einfluss der Temperatur:

RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit - Temperatur - Regel) Bei einer Temperaturerhöhung um 10 K (10°C) verdoppelt bis verdreifacht sich die Reaktionsgeschwindigkeit.

Die Ursachen beschreibt die  Maxell-Boltzmann-Verteilung

MaxwellBoltzmann-en.svg

Aufgaben
  1. Die Reaktion von jeweils einem Mol Wasserstoff und Sauerstoff (Knallgasreaktion) dauert bei Raumtemperatur ca. 108 Jahre, bei 730 °C ca. 10-5 s. Erkläre den Unterschied.

Erklärung für die Temperaturabhängigkeit chemischer Reaktionen

Kinetische Energie in Abhängigkeit von der Temperatur

Mit zunehmender Temperatur nimmt bei chemischen Reaktionen die Anzahl der Teilchen mit höherem Energiegehalt (=höherer kinetischer Geschwindigkeit) zu. Dadurch nimmt die Anzahl der Zusammenstöße zu. Außerdem sind die Zusammenstöße „stärker“ (also energiereicher).

Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur2.svg

Bei geringen Temperaturen sind die Zusammenstöße hingegen weniger häufig und oft reicht auch die Energie der Zusammenstöße für einen Wirksame Reaktion nicht aus. So lässt sich ein Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff lange aufbewahren, ohne dass eine Reaktion stattfindet.

Aktivierungsenergie

Damit im eben genannten Beispiel von Wasserstoff und Sauerstoff eine Reaktion stattfindet, muss ein Energiebetrag beim Zusammentreffen von Teilchen erreicht, bzw. überschritten werden, damit überhaupt eine Reaktion stattfinden kann.

Nur wirksame Zusammenstöße führen zu einer chemischen Reaktion. Zu einem wirksamen Zusammenstoß gehören neben der notwendigen Energie auch die günstigen Orientierung der Reaktionsteilchen.

c) Einfluss der Konzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit

- Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit, bei Abnahme der Konzentration (1/2)

Die RG ist von der Konzentration der beteiligten Stoffe abhängig. Je größer die Konzentration ist, desto größer ist auch die mittlere RG.

Messung der Zunahme des Volumens in Abhängigkeit von der Zeit

V1: H2O2 und Bromwasser reagieren lassen:

50 ml H2O + 40 mL Bromwasser (Tipp: muss riechen!) dazu 20 mL 5%ige H2O2-Lösung zugeben und sofort in 10 s Abständen messen:

V2: Mg + HCl:[1]

Reagenzglas mit seitlichem Ausgang (!) mit 10ml 2mol HCl und 3g Mg-Band (ca. 5cm) mit Schlauch und Kolbenprober

Rg-seitlicher-Ausgang-HCl-Mg.svg

Zeit t [s] Volumen Vol [ml]
   
   
   
   

Auftragung der Kurve:

Sättigungskurve.svg

Auswertung
  • Die Gasentwicklung verläuft am Anfang schneller als am Ende.
  • Die Reaktionsgeschwindigkeit ist also nicht konstant, sondern ändert sich mit der Zeit.

Reaktionsgleichung:

Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit

In der Chemie interessiert uns in erster Linie die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit.

Diese ergibt sich als:

Umrechnung auf die umgesetzte Teilchenzahl: 1 mol eines Gases nimmt unter Normalbedingungen (0°C, 101325 Pa = 1013,25 mbar) ein Volumen von 22,41 L ein.

Also ergibt sich für die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit:

In unserem Versuch liegt eine heterogene Reaktion mit unterschiedliche Phasen vor!

Homogene Reaktionen laufen jedoch in einer Phase ab. (Beispiel?)

Bei homogenen Reaktionen steht die Teilchenzahl in direktem Zusammenhang mit der Konzentration:

Konzentration:

Für die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit gilt hier also:

Reaktionsgeschwindigkeit = Quotient aus der Konzentration eines Reaktionsteilnehmers und dem entsprechenden Zeitabschnitt.

Man kann sie erfassen als Zunahme der Konzentration der Produkte, dann hat sie ein positives Vorzeichen, oder als Abnahme der Konzentration der Edukte, dann hat sie ein negatives Vorzeichen.

Momentane Reaktionsgeschwindigkeit:

Die in einem genügend kleinen Zeitraum gemessene mittlere Reaktionsgeschwindigkeit nennt man momentane Reaktionsgeschwindigkeit. Geschwindigkeit zu genau einem Zeitpunkt.

Zusammenfassung

  • Bei Reaktionen reagieren immer Edukte zu Produkten.
  • Die Reaktionsgeschwindigkeit misst man also durch die Entstehung der Produkte oder das „Verschwinden“ der Edukte.
  • Misst man das Verschwinden der Edukte, so erhält die Reaktionsgeschwindigkeit definitionsgemäß ein negatives Vorzeichen.
  • Von Interesse ist für Chemiker besonders die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit: vv = ∆V / ∆t
  • Messen lässt sich praktischerweise das Entstehen oder Verschwinden eines Volumens (bei Gasreaktionen) oder die Zunahme oder Abnahme der Stoffmenge (n) eines Teilchens, da die Stoffmenge zum Volumen in direkt proportionaler Beziehung steht: n = V0 / Vm (Vm =22,4 l/mol)
  • Für solche Reaktionen ist die Reaktionsgeschwindigkeit : vn = ∆ n/ ∆ t
  • Als dritte Methode kann die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Änderung von Stoffmengenkonzentration (c) gemessen werden (leicht in wässrigen Systemen durch z.B. passende Ionennachweise). Bei solchen Reaktionen ist die Konzentration der Stoffmenge direkt proportional: c = v/V(Lsg.), wobei V(Lsg) als konstant angenommen werden kann. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist also vc = ∆ c/ ∆ t.
Aufgaben
  1. Nenne Möglichkeiten Reaktionsgeschwindigkeiten zu messen.
  2. Wovon hängt die Reaktionsgeschwindigkeit ab.
  3. Eine Zinkgranalie und die gleiche Masse an Zinkpulver reagieren Salzsäurea)
    a)Stelle die Reaktionsgleichung auf
    b) Was für ein Reaktionstyp liegt vor?
    c) Wie unterscheiden sich die Reaktionsgeschwindigkeiten
  4. Erkläre den Zusammenhang zwischen Oberfläche (Verteilungsgrad) und der Reaktionsgeschwindigkeit.
  5. Magnesium reagiert mit Salzsäure. Nach 1 min. misst man ein Wasserstoffvolumen von 30 mL.
    a) Stelle die Reaktionsgleichung auf und benenne alle Stoffe
    b) Bestimme die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit vr in mol/s
  6. Salzsäure reagiert auch mit Calciumcarbonat. Es bildet sich wiederum ein Gas. Nach 2min. wird eine Massenabnahme von 0,960 g gemessen. Berechne die mittlere Änderung der Stoffmenge des Kohlenstoffdioxids. M(CO2) = 44 g/mol
  7. Die Wasserstoffperoxidkonzentration einer wässrigen Wasserstoffperoxidlösung nimmt bei der folgenden Reaktion ab:
    Es liegen folgende Konzentrationen vor:
    c0 (H2O2) = 0,98 mol/l
    c1 (H2O2) = 0,74 mol/l
    Berechnen Sie den zugehörigen Zeitabschnitt, wenn die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit vr = -7,48 mol/l·s im betrachteten Zeitabschnitt ist.

Erklärung für die Konzentrationsabhängigkeit chemischer Reaktionen

Voraussetzungen für das Zustandekommen einer Reaktion - die Stoßtheorie

Damit Teilchen miteinander reagieren können, müssen diese

  • zusammenstoßen
  • eine genügend hohe Geschwindigkeit haben, um sich auch zu treffen (sie müssen also genug kinetische Energie haben)
  • die richtige räumliche Orientierung haben
A Red Dot.svg

B Green Dot.svg Green Dot.svg

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Teilchenzahl A: 1
B: 2
A: 2
B: 2
A: 2
B: 3
erfolgversprechende Zusammenstoß­möglichkeiten 1 . 2 = 2 2 . 2 = 4 2 . 3 = 6
Das Aufeinandertreffen von miteinander reagierenden Teilchen ist bei geringer konzentrierten Lösungen unwahrscheinlicher  die Reaktionsgeschwindigkeit ist geringer
Beispiel

(geschwindigkeitsbestimmender Schritt einer Reaktion)

Ist das Zusammentreffen beider Reaktionspartner wichtig, so ergibt sich:

bimolekulare Reaktion

Erhöht man jetzt die Konzentration, also die Dichte der Teilchen, so erhöht sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit.

Bei bimolekularen Reaktionen ist die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Produkt der Konzentration der beiden Edukte.

Herleitung über die Stoßzahl s:

s ~ N(A) · N(B) mit N = n · NA

→ s ~ n(A) · NA · n(B) · NAmit c = n/V <=> n= cV

→ s ~ c(A) · V · NA · c(B) · V · NAmit V, NA = konst

→ s ~ c(A) · c(B)

→ v ~ c(A) · c(B)

v = k · c(A) · c(B)


Weitergehendes Beispiel:

Reaktion A + B → C + D

AABB: 4 Möglichkeiten für Zusammenstöße

AAAABB: 8 Möglichkeiten für Zusammenstöße

AAAABBBB: 16 Möglichkeiten für Zusammenstöße

Bei großen Konzentrationen sind viele Moleküle im Reaktionsgefäß vorhanden. Die Wahrscheinlichkeit für einen Zusammenstoß, bei dem die Moleküle zum Reaktionsprodukt reagieren, ist folglich sehr hoch -> die Reaktion läuft schnell ab. Die Zahl der Zusammenstöße pro Zeiteinheit (also auch die Geschwindigkeit der Reaktion) ist umso größer, je mehr Teilchen in der Volumeneinheit vorhanden sind (=Konzentration).

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist damit proportional dem Produkt der Konzentrationen der Stoffe A und B.

k = Geschwindigkeitskonstante
  1. charakteristisch für eine Reaktion
  2. abhängig von der Temperatur)
Die Geschwindigkeitskonstante k ist ein Maß für die Zahl der erfolgreichen Zusammenstöße.
Zusatzinformationen

 Stoßtheorie

Kinetik

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von:

  • den chemischen Eigenschaften der Reaktionspartner
  • dem Verteilungsgrad (bzw. Oberfläche) und der Durchmischung der Reaktionspartner
  • der Konzentration

Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration

  1. bimolekulare Reaktion:
  2. monomolekulare Reaktion:
  3. bimolekulare Reaktionen mit Gasen (ausgedrückt über Partialdruck p)
    da p ~ c

  1. 37%ige Salzsäure hat eine Konzentration von 12 Mol/L