EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Reaktionsordnung KM-5: Substanz und Energie 87 87 Metalle – vor allem Edelmetalle wie Platin, Palladium und Rhodium („Platin- metalle“) – katalysieren Gasreaktionen, manche Katalysatoren helfen bei der Übertragung von Sauerstoff, und einige Reaktionen werden durch Säurekataly- se positiv beeinflusst. Katalysatoren können nur Reaktionen begünstigen, die an und für sich möglich sind. Die Richtung einer Reaktion kann durch den Katalysator nicht beeinflusst werden – der „Energieberg“ zwischen Produkten und Edukten ist in beiden Rich- tungen gleich groß –, sondern nur die Geschwindigkeit. Vor allem im lebenden Organismus spielen Katalysatoren eine große Rolle. Auf Grund der Komplexität der Reaktionen und der geringen Körpertemperatur lau- fen die meisten biochemischen Vorgänge nur mit Hilfe von hoch spezialisierten Eiweißstoffen – den Enzymen – ab. Katalysatoren können durch bestimmte Stoffe, zB manche Metall-Kationen, un- wirksam gemacht werden. Bleiverbindungen zB wirken als Katalysatorgift beim Abgaskatalysator im Auto. Reaktionsordnung – Reaktionskinetik Um die Ausbeute einer chemischen Reaktion zu erhöhen, ist es notwendig den Ablauf einer Reaktion genauer zu verstehen. Je nach Art der chemischen Reak- tion unterscheidet man verschiedene Reaktionsordnungen. Sie lassen sich nur experimentell bestimmen und ergeben sich nicht automatisch aus der Reakti- onsgleichung. Reaktion nullter Ordnung Bei Reaktionen nullter Ordnung ist die Reaktionsgeschwindigkeit immer gleich und unabhängig von der Konzentration des Ausgangsstoffes. Ein Beispiel dafür ist der Abbau von Alkohol im menschlichen Körper. Im Durchschnitt verringert sich der Blutalkoholgehalt um 0,1 Promille pro Stunde. In der grafischen Darstellung (Abb. 87–1a) ist der Konzentrationsverlauf des Ausgangsstoffes linear. Reaktion erster Ordnung Bei Reaktionen erster Ordnung ist die Reaktionsgeschwindigkeit direkt propor- tional der Konzentration des Ausgangsstoffes. Da sich dieser Ausgangsstoff im Laufe der Reaktion verringert, wird auch die Geschwindigkeit der Reaktion klei- ner und die Abnahme des Ausgangsstoffes verlangsamt sich. Es existieren aber auch Reaktionen mit 2 Ausgangsstoffen, die nach 1. Ordnung ablaufen. Dabei ist die Reaktionsgeschwindigkeit nur von der Konzentration ei- nes Stoffes abhängig. Der Verlauf der Kurve (Abb. 87–1b) entspricht einer Funktion vom Typ e –x . Ein Beispiel für eine Reaktion erster Ordnung wäre der Zerfallsprozess eines radio- aktiven Stoffes. Reaktion zweiter Ordnung Bei einer Reaktion zweiter Ordnung ist die Geschwindigkeit der Reaktion pro- portional zum Produkt der Konzentrationen zweier Ausgangsstoffe. Der Verlauf der Kurve (Abb. 87–1c) entspricht einer Funktion vom Typ 1/x. Viele organische Reaktionen sind Reaktionen zweiter Ordnung mit 2 oder mehr Aus- gangsstoffen. Es gibt aber auch spezielle Reaktionen mit nur einem Ausgangs- stoff, die nach den Geschwindigkeitsgesetzen 2. Ordnung ablaufen. In dem Fall ist die Geschwindigkeit proportional dem Quadrat der Konzentration des Aus- gangsstoffes. Für all diese Reaktionsordnungen lassen sich Geschwindigkeitsgesetze formu- lieren. Mit diesen mathematischen Ausdrücken kann man den Verlauf von Reak- tionen vorhersagen und die Ausbeute optimieren. Zur Bestimmung der Reaktionsordnung einer chemischen Reaktion sind aber oft aufwendige Messungen notwendig. Die Art des Reaktionsverlaufes wird auch Reaktionskinetik genannt. Der Gründer dieses Wissenschaftszweiges war der Niederländer Jacobus Henricus van ’t Hoff (1852-1911), der auch 1901 den ersten Nobelpreis für Chemie erhielt. Üb Übung 87.1 „Die Chloratmer“ In einem Science-Fiction-Roman wollten Außerirdische die Erde erobern. Ihr Stoffwechsel funktioniert mit Chlor statt mit Sauerstoff als Oxidationsmittel. Die „Chloratmer“ entwickelten daher ei- nen Katalysator, der das Natriumchlorid des Meerwassers in Natrium und Chlor zerlegt. Dieser sollte, in großen Mengen ins Meer geworfen, unsere Atmosphäre zu einer Chloratmosphäre umwandeln. Untersuche, ob dieses Unterfangen vom chemischen Aspekt her möglich ist. Thermodydamische Daten: Enthalpie Entropie (kJ/mol) (kJ/mol . K) Cl 2(g) 0 0,223 Na (s) 0 0,051 Na + (aq) – 240,3 0,058 Cl – (aq) – 167,1 0,057 Abb. 087–1: Reaktionsverlaufskurven 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 1 2 3 4 5 6 7 Reaktionsverlauf (Zeit in Stunden) Konzentration des Ausgangsstoffes Alkoholabbau im Blut a) Reaktion 0. Ordnung b) Reaktion 1. Ordnung c) Reaktion 2. Ordnung 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 1 2 3 4 5 6 7 Reaktionsverlauf (Zeit in Stunden) Konzentration des Ausgangsstoffes 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 0 1 2 3 4 5 6 7 Reaktionsverlauf (Zeit in Stunden) Konzentration des Ausgangsstoffes Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv