Temperaturabhängigkeit

Das Maß dafür, wie schnell eine Reaktion abläuft, wird als Reaktionsgeschwindigkeit bezeichnet. Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion wird durch das Geschwindigkeitsgesetz definiert, das das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit der Reaktion und den Reaktantenkonzentrationen beschreibt. In dieser Gleichung ist k die Geschwindigkeitskonstante, A und B sind die beiden Reaktanten und m und n sind ihre jeweiligen Reaktionsordnungen.

Die Geschwindigkeitskonstante wandelt die Beziehung in die richtigen Einheiten der Rate, Mol pro Liter pro Sekunde, um. Die Geschwindigkeitskonstante hat also unterschiedliche Einheiten, abhängig von der Gesamtordnung der Reaktion. Die Kurskonstante hat jedoch eine größere Bedeutung als nur die Einheitenumrechnung. Die Geschwindigkeitskonstante bezieht sich auf die minimale Energiemenge, die für eine chemische Reaktion erforderlich ist - die sogenannte Aktivierungsenergie.

Bei einer Reaktion befinden sich die Reaktanten in einem Anfangszustand potentieller Energie. Während die Reaktion fortschreitet, muss sie eine bestimmte potentielle Energie, die Aktivierungsenergie, überwinden, bevor sie ihren Endzustand erreicht. Die Nettoenergie der Reaktion ist die Differenz zwischen dem Anfangs- und dem Endzustand. Diese Differenz kann negativ sein, was bedeutet, dass die Reaktion Energie freisetzt, oder positiv, was bedeutet, dass sie Energie absorbiert.

Wenn nicht genügend Energie zur Verfügung steht, um die Aktivierungsenergie zu überwinden, wird die Reaktion nicht fortgesetzt. In einigen Fällen kann Energie in Form von Wärme bereitgestellt werden. Dies liefert zusätzliche Energie, um die Barriere für die Aktivierung zu überwinden, und die Reaktion kann fortgesetzt werden. Es kann auch ein Katalysator hinzugefügt werden, der einen alternativen Energieweg mit niedrigerer Aktivierungsenergie zwischen den Reaktanten und den Produkten bereitstellt.

Katalysatoren werden bei der Reaktion nicht verbraucht und beeinflussen daher nicht die Nettoenergie der Reaktion. Die Aktivierungsenergie wird experimentell bestimmt und hängt mit der Reaktionskonstante k durch die Arrhenius-Gleichung zusammen, wobei A der präexponentielle oder Frequenzfaktor, R die universelle Gaskonstante und T die absolute Temperatur ist, bei der die Reaktion stattfindet.

Aus dieser Gleichung wissen wir, dass eine Erhöhung der Reaktionstemperatur oder eine Verringerung der Aktivierungsenergie die Geschwindigkeitskonstante erhöht. Geht man auf die Gleichung des Geschwindigkeitsgesetzes zurück, so folgt daraus, dass eine höhere Geschwindigkeitskonstante zu einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit führt. Dies ist sinnvoll, da sich Moleküle mit steigender Temperatur schneller bewegen und häufiger kollidieren, was zu einem erhöhten Anteil von Molekülen mit einer höheren Energie als der Aktivierungsenergie führt.

In diesem Labor lernen Sie, wie Sie die Aktivierungsenergie einer Reaktion experimentell mit der Zersetzung von Wasserstoffperoxid als Modellreaktion messen können.