EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Reaktionsgeschwindigkeit – Aktivierungsenthalpie 3.5 Chemische Kinetik 86 86 Abb. 086–1: Kollisionswahrscheinlichkeit Z All die bisher besprochenen Größen enthalten keinen Zeitfaktor. ∆ G ∅ < O be- deutet, dass eine Reaktion spontan abläuft. Ob die Reaktion explosionsartig in wenigen Sekunden abläuft oder eventuell Jahre zum Ablauf benötigt, ist nicht ersichtlich. In der Praxis spielt aber auch die Reaktionsgeschwindigkeit v eine große Rolle. Die Reaktionsgeschwindigkeit v Die Reaktionsgeschwindigkeit v gibt an, wie viele Teilchen pro Zeiteinheit in einer chemischen Reaktion umgesetzt werden. Bei jeder chemischen Reaktion nimmt innerhalb einer gewissen Zeitspanne die Konzentration der Edukte ab und die der Produkte 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 Zusammenstößen. Daher steigt die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Konzen- tration. Die Konzentration der Stoffe ändert sich allerdings laufend im Zuge der Reaktion. Edukte werden weniger, Produkte werden mehr. Die Aktivierungsenthalpie ∆ H * Viele Reaktionen laufen über mehrere Teilschritte, die alle mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ablaufen. Der langsamste Teilschritt bestimmt die Reaktions- geschwindigkeit der Gesamtreaktion. Beim Zusammenstoß der Teilchen kommt es zu Umgruppierungen. Oft werden Atomanordnungen durchlaufen, die einen höheren Energieinhalt haben als Ausgangs- und Endzustand. Zum Erreichen dieses energiereichen Übergangszu- standes muss Energie aufgebracht werden, die man als Aktivierungsenthalpie (∆ H *) bezeichnet. Die Aktivierungsenthalpie stellt also eine Barriere zwischen Ausgangs- und Endzustand dar. Enthalpiediagramme werden daher auch üblicherweise mit dieser Energiebar- riere (= Aktivierungsenthalpie) angegeben (Abb. 86–2). Je größer die benötigte Aktivierungsenthalpie ist, desto langsamer ist die Reaktion. Temperatur Die Aktivierungsenthalpie kann durch erhöhte kinetische Energie der Teilchen überwunden werden. Dies kann durch Temperaturerhöhung erreicht werden. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung von 10 °C bewirkt bei den meisten Reaktionen eine Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit. Eine beliebige Temperaturerhöhung ist aber bei vielen Reaktionen nicht mög- lich. Reaktionen im Organismus laufen bei Körpertemperaturen ab. Auch bei technischen Prozessen zB der Ammoniaksynthese kann die Temperatur nicht beliebig erhöht werden (siehe dazu Abb. 85–2). Katalysator Katalysatoren sind Stoffe, die die Geschwindigkeit einer Reaktion beeinflussen und selbst nicht verbraucht werden. Üblicherweise versucht man durch Kataly- satoren eine Reaktion zu beschleunigen. Eine mögliche Wirkungsweise von Katalysatoren ist, einen neuen Reaktionsab- lauf zu erzielen, 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) gefun- den. Es gibt keinen „Universalkatalysator“, der auf alle Reaktionen beschleuni- gend wirkt. A B c A = 1 c B = 1 Z = 1 Z = 2 Z = 4 Z = 9 c A = 1 c B = 2 c A = 2 c B = 2 c A = 3 c B = 3 Z = c A • c B A E Aktivierungs- enthalpie ∆H R Enthalpie Reaktionsablauf = ∆H * Enthalpie Reaktionsablauf A E ∆H* mit Kat ∆H* ohne Kat ∆H R Abb. 086–2: Aktivierungsenthalpie Abb. 086–3: Einwirkung eines Katalysators auf die Aktivierungsenthalpie Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv