Zusammenfassung Reaktionsgeschwindigkeit 2021 LK PDF

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Zusammenfassung Thema 3: Reaktionsgeschwindigkeit 1. Chemische Größen Stoffmenge, Volumen, Masse, Konzentration, bei Gasen: Druck / Partialdruck 2. Definition Reaktionsgeschwindigkeit und Bestimmung Die Reaktionsgeschwindigkeit ist der Quotient aus dem Betrag der Konzentrationsänderung eines Reaktionspartners und der dazu benötigten Zeit: v = Δc / Δt Je nach Versuchsaufbau kann Δc durch ΔV, Δn oder Δm ersetzt werden.

3. Abhängigkeiten der Reaktionsgeschwindigkeit 3.1 Zerteilungsgrad Je größer die Oberfläche (der Zerteilungsgrad), desto höher die Reaktionsgeschwindigkeit, da es mehr Kontaktstellen für wirksame Zusammenstöße gibt. Einschub: Kollisionsmodell Chemische Reaktionen haben ihre Ursache auf der Teilchenebene. Es kommt zur Übertragung von Elektronen oder zur Spaltung und Entstehung chemischer Bindungen. Dazu müssen Atome, Moleküle oder Ionen zusammenstoßen. Aber nicht jeder Zusammenstoß ist auch ein wirksamer Zusammenstoß. Es kommt neben der richtigen Orientierung (Richtung und Winkel) und Anzahl der Stöße vor allem an, dass die kinetische Energie der Teilchen größer als die notwendige Aktivierungsenergie EA ist. ➢ Voraussetzung für eine chemische Reaktion ist der Zusammenstoß der Teilchen der beiden Stoffe. ➢ Je häufiger die Teilchen zusammenstoßen, desto schneller verläuft die Reaktion. ➢ Für einen wirksamen Zusammenstoß müssen die Teilchen eine gewisse Mindestenergie Emin und eine bestimmte räumliche Orientierung bei der Kollision haben.

3.2 Konzentration / (Partial-)Druck Umso größer die Konzentration, desto höher die Reaktionsgeschwindigkeit, da mehr Teilchen in gleichem Volumen vorhanden sind und daher mehr Zusammenstöße und somit mehr wirksame Zusammenstöße stattfinden können. Bei Reaktionen in der Gasphase kann man die Konzentration durch den (Partial-)Druck ersetzen. Je höher die Teilchendichte in einem bestimmten Volumen, desto größer ist der Druck und umso häufiger stoßen sie nicht nur an die Gefäßwand, sondern auch aneinander. Für eine einfache Reaktion A + B → 2 C ist die Stoßhäufigkeit zwischen den Teilchen A und B und damit die Reaktionsgeschwindigkeit v proportional zum Produkt aus c(A) und c(B). v ~ c(a) . c(B) Daraus ergibt sich die Geschwindigkeitsgleichung: v = k . c(A) . c(B)

k wird als Geschwindigkeitskonstante bezeichnet und ist unabhängig von den Konzentrationen, aber abhängig von der Temperatur.

Bei Reaktionen in der Gasphase lautet die Geschwindigkeitsgleichung entsprechend: v = k . p(A) . c(B)

3.3 Temperatur Je höher die Temperatur, desto höher ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Nach dem Kollisionsmodell ist die Reaktionsgeschwindigkeit von der Anzahl der wirksamen Zusammenstöße abhängig. Durch Erhöhung der Temperatur kommt es zu einer gesteigerten Teilchenbewegung. Die Teilchen bewegen sich schneller und treffen somit in einem gegebenen Zeitraum öfter aufeinander. Somit erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit. Merke: RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel) Bei vielen Reaktionen bewirkt eine Temperaturerhöhung um 10°C (laut Definition um 10K) eine Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit. (Gilt nicht bei unter 0°C, da oftmals wässrige Bestandteile gefrieren, bei zu hohen Temperaturen auch nicht anwendbar, da z.B. auch Zersetzungen stattfinden) Einschub: Maxwell-Boltzmann-Verteilung bei Temperaturerhöhung Durch die Erhöhung der Bewegungsgeschwindigkeit erhöht sich die kinetische Energie der Teilchen und somit die Wahrscheinlichkeit eines wirksamen Zusammenstoßes, d.h. mehr Teilchen besitzen Emin bzw. EA. Dies ist in der Maxwell-Boltzmann-Verteilung dargestellt (s. rechte Abbildung): Bei der von James C. Maxwell gefundenen Energieverteilung ist die Fläche unter der Kurve in einem bestimmten Energieintervall ein Maß für den Anteil der Teilchen mit dieser notwendigen Mindestenergie. Bei einer höheren Temperatur gibt es mehr Teilchen, deren Bewegungsenergie gleich oder größer als die notwendige Aktivierungsenergie EA ist als bei niedriger Temperatur.

3.4 Katalysator Der Katalysator setzt die nötige Mindestgeschwindigkeit (Mindestenergie/Aktivierungsenergie) herab, ohne sich dabei dauerhaft zu verändern. So gibt es mehr Teilchen, die erfolgreich reagieren können (s. linke Abbildung). Dabei reagiert zunächst ein Edukt-Molekül am Katalysator zu einer reaktionsfähigen Zwischenstufe, die dann zum ProduktMolekül weiterreagiert. Deshalb können auch Zusammenstöße zwischen Teilchen geringerer kinetischer Energie zur Reaktion führen. Ein Inhibitor bewirkt das Gegenteil, also eine Erhöhung der Mindestenergie. (s. Abb. rechts)

Johann Wolfgang Döbereiner entdeckte 1823, dass sich Wasserstoff in Gegenwart von Platin an der Luft selbständig entzündet. Inzwischen kann man das ungewöhnliche Verhalten erklären: An der Oberfläche des Platins dissoziieren zunächst H2-Moleküle und O2-Moleküle in Atome. Ein O-Atom reagiert dann zuerst mit einem H-Atom, später mit einem zweiten (s. nachfolgende Abbildung). Jetzt laufen beide Reaktionen schnell ab. Diese exothermen Reaktionen erwärmen das Platin so stark, dass sich das Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch sogar entzündet. Diese Reaktion nutzte Döbereiner bei der Entwicklung des nach ihm benannten Feuerzeugs.

Homogene Katalyse = Reagierende Stoffe und Katalysatoren bilden eine einzige Phase (Lösung oder Gas) Heterogene Katalyse = Gas- oder Lösungsreaktionen werden durch einen festen Katalysator beeinflusst Autokatalyse = Katalysator wird bei einer Reaktion selbst erzeugt; die Geschwindigkeit einer autokatalytischen Reaktion steigt im Verlauf der Reaktion an, weil die Katalysatorkonzentration zunimmt. Schließlich sinkt sie, wenn die Konzentration der Edukte klein wird. Stellt man die Edukt-Konzentrationsänderung in Abhängigkeit von der Zeit graphisch für eine homogene Katalyse und für eine Autokatalyse dar, erhält man folgende Kurve.

Unter einem Katalysatorgift, bei heterogenen Katalysatoren auch Kontaktgift, versteht man einen Stoff, der die Wirkung eines Katalysators dauerhaft verringert oder aufhebt. Dadurch bremst es eine, üblicherweise erwünschte, chemische Reaktion. Ein Inhibitor (lat. inhibere ‚unterbinden‘, ‚anhalten‘) ist ein Hemmstoff, also ein Stoff, der eine oder mehrere Reaktionen – chemischer, biologischer oder physikalischer Natur – so beeinflusst, dass diese verlangsamt, gehemmt oder verhindert werden. Inhibitoren werden insbesondere in der Enzymkinetik als enzymhemmende Stoffe verwendet, aber auch im Bereich von Chemie und Technik. Ein Enzym, früher Ferment ist ein Stoff, der eine oder mehrere biochemische Reaktionen katalysieren kann. Enzyme sind also sogenannte Biokatalysatoren.

4. Weitere wichtige Kompetenzen, die für das Abitur vorausgesetzt sind • • • • •

Zeichnen von Konzentrations-Zeit-Diagrammen (= Geschwindigkeitsdiagramm) (alternativ: V/t; m/t; n/t) Bestimmen (Durchschnittsgeschwindigkeit für jedes Intervall Δc/Δt berechnen) und zeichnen von Geschwindigkeits-Konzentrations-Diagramm Berechnung der Geschwindigkeitskonstante aus gegebenen Werten mit Hilfe der Geschwindigkeitsgleichung Interpretation von Diagrammen Wichtig: Bei Diagrammen die Achsenbeschriftungen nicht vergessen und angemessene Skalierungen wählen!!!...