Elemente und Moleküle, Schulbuch

46 3 DIe CHeMISCHe ReAKtIoN ■ 46.1: Katalytische Zersetzung von Wasser- stoffperoxid 5 große Reagenzgläser werden zu je einem Drittel mit etwa 10%iger Wasserstoffperoxid- Lösung gefüllt. Gibt man in die Gläser jeweils einige Tropfen Eisen(II)-sulfat-, Eisen(III)- chlorid-, Kaliumiodid-Lösung bzw. eine Spatel- spitze Mangan(IV)-oxid, so beobachtet man eine verschieden starke Sauerstoffentwick- lung (Glimmspanprobe). Das 5. Glas dient zum Vergleich. Man erwär- me seinen Inhalt so lange, bis eine merkliche Sauerstoffentwicklung wahrnehmbar ist! LeHReRVeRSUCH A E Aktivierungs- enthalpie ∆H R Enthalpie Reaktionsablauf = ∆H * Enthalpie Reaktionsablauf A E ∆H* mit Kat ∆H* ohne Kat ∆H R Abb. 46.1: Aktivierungsenthalpie Abb. 46.2: Einwirkung eines Katalysators auf die Aktivierungsenthalpie 3.3 DIE REAKtIONSGESCHWINDIGKEIt Temperatur • Katalysator Bei jeder chemischen Reaktion nimmt innerhalb einer gewissen Zeitspanne die Kon- zentration der Ausgangsstoffe ab und die der Endstoffe zu. Mit welcher Geschwin- digkeit dieser Vorgang vor sich geht, dh., wie groß die Reaktionsgeschwindigkeit ist, hängt von einigen Faktoren ab: Konzentration Je mehr Teilchen vorhanden sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit von Zusam- menstößen ⇒ die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit der Konzentration. Art der Reaktion Viele Reaktionen laufen über mehrere Teilschritte, die alle mit unterschiedlicher Ge- schwindigkeit ablaufen. Der langsamste Teilschritt bestimmt die Reaktionsgeschwin- digkeit der Gesamtreaktion. Beim Zusammenstoß der Teilchen kommt es zu Um- gruppierungen; oft werden Atomanordnungen durchlaufen, die einen höheren Energieinhalt haben als Ausgangs- und Endzustand. Zum Erreichen dieses ener- giereichen Übergangszustandes muss Energie aufgebracht werden, die man als Aktivierungsenthalpie (∆ H *) bezeichnet. Die Aktivierungsenthalpie stellt also eine Barriere zwischen Ausgangs- und Endzustand dar. Temperatur Die Aktivierungsenthalpie kann durch erhöhte kinetische Energie der Teilchen über- wunden werden; dies kann durch Temperaturerhöhung erreicht werden. Als Faust- regel gilt: Eine Temperaturerhöhung von 10 °C bewirkt bei den meisten Reaktionen eine Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit. Katalysator Katalysatoren sind Stoffe, die die Geschwindigkeit einer Reaktion beeinflussen und selbst nicht verbraucht werden. Durch Katalysatoren wird ein neuer Reaktionsablauf erzielt, der eine geringere Aktivierungsenthalpie besitzt. A + B → E ... sehr langsam A + Kat → AKat ⇒ AKat + B → E + Kat ... schnell Geeignete Katalysatoren werden meist empirisch (durch Experimente) gefunden. Es gibt keinen Universalkatalysator, der auf alle Reaktionen beschleunigend wirkt. Metalle – vor allem Edelmetalle wie Platin, Palladium und Rhodium – katalysieren Gasreaktionen , manche Katalysatoren helfen bei der Übertragung von Sauerstoff und einige Reaktionen werden durch Säurekatalyse positiv beeinflusst. Katalysato- ren können nur Reaktionen begünstigen, die an und für sich möglich sind. Die Rich- tung einer Reaktion kann durch den Katalysator nicht beeinflusst werden, sondern nur die Geschwindigkeit. Vor allem im lebenden Organismus spielen Katalysatoren eine große Rolle. Auf Grund der Komplexität der Reaktionen und der geringen Kör- pertemperatur laufen die meisten biochemischen Vorgänge nur mit Hilfe von hoch spezialisierten Eiweißstoffen – den Enzymen – ab. Katalysatoren können durch be- stimmte Stoffe, zB manche Metall-Kationen, unwirksam gemacht werden. Bleiver- bindungen zB wirken als Katalysatorgift beim Abgaskatalysator im Auto. Mathematische Formulierung der Reaktionsgeschwindigkeit: Für eine Reaktion A + B → D + E ist die Reaktionsgeschwindigkeit v proportional zum Produkt der Konzentrationen: v = k • c (A) • c (B) Der Proportionalitätsfaktor k heißt Geschwindigkeitskonstante und ist von der Art der Reaktion, von der Temperatur und vom Katalysator abhängig. Beachte: Da sich die Konzentration im Laufe der Reaktion verändert, verändert sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Zur Unterscheidung bezeichnet man die Aus- gangskonzentration mit c 0 und die Momentankonzentration mit c . Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv