Quantitative beziehungen/ Reaktionsgeschwindigkeit AP

Die Entropie eines Systems nimmt mit der Unordnung zu. Exotherme Vorgänge, bei denen die Entropie zunimmt, sind spontan. Endotherme Vorgänge können spontan sein, wenn die Entropie (stark) zunimmt. Vorgänge, bei denen die Entropie abnimmt, , können spontan sein, wenn sie (stark) exo therm verlaufen.

siehe Bild  

Die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt die Dauer und beeinflusst die Heftigkeit einer chemischen Reaktion. Sie ist darum für die Herstellung und Verwendung von Stoffen wichtig. Die Geschwindigkeit chemischer Vorgänge beeinflusst die Aktivität der Lebe-wesen und die Stoffkreisläufe in der Natur.

Der zeitliche Verlauf einer Reaktion wird durch Messen der Konzentration oder des Volumen eines Reaktionsteilnehmer verfolgt. Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit in einem bestimmten Zeitintervall ist der Quotient aus der Änderung der Komzentration eines Reaktionsteilnehmer und der Dauer des Intervalls. Sie ändert sich im Verlauf der Reaktion.

Neben der Eigenschaften der Edukte beeinflussen folgende Faktoren den zeitlichen Ablauf einer Reaktion

- Temperatur

-Konzentration der Edukte

-In heterogenen Gemischen die Oberflächenbeachaffenheit der Edukte

-Katalysatore

Für Reaktionen mit mittleren Aktivierungsenergien lässt sich die Beschleunigung durch eine Erwärmung nach der sog. RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur- Regel) abschätzen. 

Nach dieser Regel, die kein Gesetz, sondern lediglich eine Faustregel ist, steigt die Geschwindigkeit durch eine Erwärmung um 10 °C auf das Zwei- bis Vierfache. 

Eine Temperaturerhöhung um 20 °C steigert nach der RGT-Regel die Geschwindigkeit um den Faktor 4 (2 • 2) bis 16 (4 • 4). Ein Vorgang, der bei 20 °C in einer Minute abläuft, kann im Tiefkühler bei -20 °C also 16 (2 • 2 • 2 • 2) bis 256 (4 • 4 • 4 • 4) Minuten dauern.

Dass chemische Vorgänge bei höherer Temperatur schneller verlaufen, lässt sich mit der Stosstheorie erklären:

 • Die Teilchen der Stoffe werden als Kugeln betrachtet, die sich mit steigender Temperatur immer schneller bewegen. Die Temperatur ist ein Mass für die mittlere Bewegungsenergie der Stoffteilchen. 

 • Die Teilchen eines Stoffs bewegen sich ungeordnet und nicht alle sind gleich schnell. 

Voraussetzung für die Reaktion von zwei Stoffen sind (erfolgreiche) Zusammenstösse ihrer Teilchen. 

• Nicht jeder Teilchen-Zusammenstoss führt zu einer Reaktion. Ein Zusammenstoss ist nur erfolgreich, wenn er heftig genug erfolgt, d. h., wenn die Energie der Teilchen einen bestimmten Wert übersteigt. Meist ist auch die Ausrichtung der Teilchen beim Zusammenstoss wichtig. Die Teilchen müssen mit den «richtigen» Seiten zusammenstossen. 

• Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt mit der Zahl erfolgreicher Zusammenstösse zu.

1. Die Teilchen stossen häufiger zusammen

2. Die Teilchen stossen heftiger zusamme

Sinkt bei einer Reaktion die Konzentration eines Reaktionsteilnehmers, nimmt auch die Reaktionsgeschwindigkeit ab.

Die Konzentration der Edukte beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit, weil die Zahl der Zusammenstössen zunimmt

Beispiel Reaktion: Zink mit Schwefelsäure

Zinkpulver reagiert viel schneller als ein Zinkblech

Die Erklärung ist mit dem Stossmodell leicht zu finden. Die Reaktion des Zinks mit der Säure kann nur an der Kontaktfläche zwischen dem festen Metall und der Säure stattfinden, weil nur hier Säure- und Metall-Teilchen zusammentreffen. Da die Oberfläche beim Pulver grösser ist als beim Blech, ist die Zahl der Zusammenstösse höher: Das Pulver reagiert schneller.

Weil die Oberfläche eines festen Körpers beim Zerkleinern zunimmt steigt die Geschwindigkeit mit dem Zerteilungsgra

Katalysatoren sind Stoffe, die die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen erhöhen, ohne dabei verbraucht zu werden. Sie führen die Reaktion über einen Weg, bei dem die aufzu-wendende Aktivierungsenergie kleiner ist; die Reaktionsenthalpie bleibt unverändert.

 Bei der heterogenen Katalyse werden die Edukte an der Oberfläche des Katalysators aktiviert, bei der homogenen Katalyse bildet der Katalysator mit einem Edukt ein reaktives Zwischenprodukt.

Bei vielen Reaktionen reagieren die Ausgangsstoffe unvollständig. Das Reaktionsgemisch enthält am Ende der Reaktion neben Produkten auch Edukte. Meist sind diese durch die Rückreaktion aus den Produkten wieder entstanden. Die Reaktion ist umkehrbar.

Viele chemische Vorgänge sind umkehrbar. Bei Gleichgewichtsvorgängen laufen die Hin-und die Rückreaktion gleichzeitig ab:

Bei Gleichgewichtsvorgängen laufen Hin- und Rückreaktion nebeneinander ab. Im Gleichgewichtszustand sind sie gleich schnell (dynamisches Gleichgewicht), der Energieumsatz ist null und die Zusammensetzung des Reaktionsgemischs bleibt unverändert: Die Reaktion steht scheinbar still. 

Die Konzentrationen von Edukten und Produkten sind im Gleichgewichtszustand im Allgemeinen nicht gleich gross. Überwiegen die Produkte, spricht man von einer «Gleichgewichtslage rechts», überwiegen die Edukte, von einer «Gleichgewichtslage links».

 Ein Gleichgewichtszustand kann sich nur in einem geschlossenen System einstellen und bleibt nur in einem isolierten System erhalten.

Ist der Anteil erfolgreicher Zusammenstösse bei der Hinreaktion grösser, überwiegen im Gleichgewichtszustand die Produkte: Das Gleichgewicht liegt rechts. Von den zahlreichen Zusammenstössen der Produkt-Moleküle sind nur wenige erfolgreich, von den seltenen Zusammenstössen der wenigen Edukt-Moleküle führen die meisten zur Reaktion. Weil die Edukte leichter reagieren, liegt das Gleichgewicht rechts

Das Gleichgewicht liegt links, wenn der Anteil der erfolgreichen Stösse bei der Rückreaktion höher ist. Die Zahl der Edukt-Moleküle ist hoch, sie stossen häufig, aber meist erfolglos zusammen. Die wenigen Produkt-Moleküle stossen selten, aber mit grossem Erfolg zusammen. Weil die Produkte leichter reagieren, liegt das Gleichgewicht links.

Wird auf ein System, das sich in chemischen Gleichgewicht befindet, ein äusserer Zwang ausgeübt, verschiebt sich die Lage des Gleichgewichts so, dass die Wirkung des Zwanges minimal wir

Äussere Zwänge sind unter anderem Druck, Temperatur & Stoffmengenkonzentration der Ausgangstoffe und der Produkte

• Bei einer Druckerhöhung wird die Reaktion gefördert, die das Volumen verkleinert (= volumenverkleinernde Reaktion). Beispiel: Wenn du ein Behältnis mit Teilchen zusammendrückst, bei denen das Produkt weniger Platz einnimmt als die Edukte, wird vermehrt das Produkt gebildet. 

• Bei Druckerniedrigung wird hingegen die Reaktion gefördert, die das Volumen vergrößert (= volumenvergrößernde Reaktion). 

Beispiel: Wenn du den Teilchen in einem Behältnis mehr Platz lieferst, haben diese keinen Grund mehr zum platzsparenden Produkt zu reagieren. Das Gleichgewicht verschiebt sich dann auf die Seite der Ausgangsstoffe.

siehe Bild   

• Durch eine Temperaturerhöhung wird die wärmeaufnehmende, also endotherme, Reaktion begünstigt. Auf diese Weise kann mehr Wärme vom System aufgenommen werden. 

Beispiel: Wenn du Teilchen in einem Behältnis erhitzt, wird bevorzugt die Reaktion stattfinden, die Wärme ins System aufnimmt und nicht die, die zusätzliche Wärme abgibt. 

• Bei einer Temperaturerniedrigung wird die wärmeabgebende, also exotherme, Reaktion begünstigt. So versucht das System der Temperaturerniedrigung entgegenzuwirken. Beispiel: Wenn du Teilchen in einem Behältnis abkühlst, wird bevorzugt die Reaktion stattfinden, die Wärme ins System aufnimmt und nicht die, die zusätzliche Wärme abgibt.

siehe Bild für Raumtemp und erhöhung:

• Temperaturerniedrigung: Wenn du die Temperatur stattdessen erniedrigst, wird die wärmeliefernde (= exotherme) Reaktion bevorzugt. Das liegt daran, dass in dem Fall weniger Wärme vorhanden ist und somit auch weniger Wärme aufgenommen werden kann. In unserem Beispiel führt das dazu, dass das Produkt vermehrt gebildet wird und die Eduktherstellung reduziert wird, das Gleichgewicht verschiebt sich also zu den Produkten. Dieser Effekt zeigt sich daran, dass das Gasgemisch sich langsam entfärbt.

✔ Erhöhung der Eduktkonzentration → Gleichgewicht verschiebt sich zu den Produkten, mehr Produkt wird gebildet.

✔ Verringerung der Produktkonzentration → Gleichgewicht verschiebt sich ebenfalls zu den Produkten, um die fehlenden Produkte nachzubilden.

✔ Verringerung der Eduktkonzentration → Gleichgewicht verschiebt sich zur Eduktseite, um den Verlust auszugleichen.

✔ Erhöhung der Produktkonzentration → Gleichgewicht verschiebt sich zur Eduktseite, um den Überschuss an Produkten abzubauen.

Siehe Bild