Temperaturabhängigkeit

Chemische Kinetik

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der eine chemische Reaktion abläuft. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist definiert als die Änderung der Konzentration einer Komponente in der Reaktion mit der Zeit. Die Geschwindigkeit einer Reaktion hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die Konzentration der Reaktanten und die Temperatur, bei der die Reaktion durchgeführt wird. Jeder Reaktant trägt durch einen bestimmten Faktor zur Geschwindigkeit der Reaktion bei. Dieser Zusammenhang wird durch das Gesetz der Reaktionsgeschwindigkeit definiert.

Tarifgesetz

Das Geschwindigkeitsgesetz ist eine Gleichung, die die Beziehung zwischen der Konzentration der Reaktanten A und B und ihren Reaktionsordnungen m und n beschreibt. Die Geschwindigkeitskonstante k setzt die Konzentrationen und Ordnungen der Reaktanten in Beziehung zur Reaktionsgeschwindigkeit. Sie ist abhängig von der Reaktion als der Temperatur, bei der die Reaktion durchgeführt wird.

r = k [A]^m[B]ⁿ für aA + bB → cC

Arrhenius-Gleichung

Die Arrhenius-Gleichung setzt die Konstante der Reaktionsgeschwindigkeit in Beziehung zur Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion. Die Aktivierungsenergie ist definiert als die Energiemenge, die eine chemische Reaktion benötigt, um ablaufen zu können. Wenn eine Reaktion diesen Aktivierungsenergiebedarf nicht erfüllt, wird die Reaktion nicht fortgesetzt.

Die negative exponentielle Beziehung zwischen k und der Temperatur bedeutet, dass mit steigender Temperatur auch der Wert von k zunimmt. Da die Geschwindigkeitskonstante experimentell über einen Temperaturbereich bestimmt werden kann, kann die Aktivierungsenergie mit Hilfe der Arrhenius-Gleichung berechnet werden. Indem man den natürlichen Logarithmus beider Seiten nimmt, wird die Arrhenius-Gleichung in eine lineare Gleichung umgeschrieben.

Ein Diagramm von ln k vs. 1/T ergibt eine gerade Linie mit einer Steigung gleich -E_a/R und einem y-Achsenabschnitt von ln A. Da die ideale Gaskonstante R bekannt ist, kann E_a grafisch mit einer Reihe von k-Werten bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt werden.

Katalysatoren und Aktivierungsenergie

Einige chemische Reaktionen haben eine ausreichend große Aktivierungsenergie, die die Reaktion langsam, wenn überhaupt, ablaufen lässt. Die Zersetzungsreaktion von Wasserstoffperoxid in Sauerstoff und Wasser erfolgt spontan, aber unglaublich langsam. Eine Möglichkeit, diese anfängliche Barriere zu überwinden, ist die Bereitstellung von Energie in Form von Wärme. Dies ist jedoch nicht immer ideal, da übermäßige Hitze die Stabilität der Produkte oder Reaktanten beeinträchtigen oder Nebenreaktionen begünstigen kann.

Die Aktivierungsenergie für chemische Reaktionen kann mit Hilfe von Katalysatoren verändert werden. Ein Katalysator senkt die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion, wird aber nicht von der Reaktion verbraucht. Mit anderen Worten, ein Katalysator erleichtert die chemische Reaktion, indem er es einfacher macht, den kritischen Bedarf an Aktivierungsenergie zu überwinden. Bei der Zersetzung von Wasserstoffperoxid senkt die Zugabe von Eisennitrat die Aktivierungsenergie und ermöglicht einen schnelleren Ablauf der Reaktion. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass ein Katalysator zwar die Geschwindigkeit einer Reaktion beeinflussen kann, ein Katalysator jedoch NICHT die Menge des durch die Reaktion erzeugten Produkts verändert.

Referenzen

1. Kotz, J.C., Treichel Jr., P.M., Townsend, J.R. (2012). Chemie und chemische Reaktivität. Belmont, Kalifornien: Brooks/Cole, Cengage Lernen.
2. Silberberg, M.S. (2009). Chemie: Die molekulare Natur von Materie und Veränderung. Boston, MA: McGraw Hill.

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.