Viele Faktoren beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit, darunter Temperatur, Druck, Konzentration und Teilchengrösse. In dieser Lektion erfährst Du mehr über diese Faktoren und wie Du die Reaktionsgeschwindigkeit und die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit aus Diagrammen berechnen kannst.
Langsame und schnelle Reaktionen
Bewegungen kannst Du subjektiv als langsam oder schnell empfinden. Die mittlere Geschwindigkeit v von Bewegungen kann objektiv bestimmt werden. Sie wird als Quotient aus zurückgelegtem Weg Δs und der dafür benötigten Zeit Δt definiert: v = ΔtΔs=t2−t1s2−s1
In dieser Lektion lernst Du den Unterschied zwischen den schnellen chemischen Reaktionen, die es für die Aufnahme von Fotos mithilfe von Magnesiumblitzen braucht und warum eine Kupfermünze nur langsam mit dem Sauerstoff in der Luft reagiert.
Anfang des 20. Jahrhunderts, beim Belichten von Szenen für die Aufnahme von Fotos mithilfe von Magnesiumblitzen, wird Magnesiumpulver zu Magnesiumoxid unter Freisetzung von Licht oxidiert. Durch diese Reaktion innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde wird ein Bild abgebildet. Die Reaktion läuft so schnell ab, damit eine hohe Temperatur für den Blitz, erreicht wird.
Es gibt auch Fälle, wo solch schnelle Oxidationen von Metallen nicht erwünscht ist. Münzen zum Beispiel, sollten beständig sein, da sie einen Wert darstellen. Wenn Du ältere Münzen mit dünkleren Schichten anschaust, handelt es sich dabei um Kupferoxid. Die Kupfermünze zum Beispiel, reagiert bei Raumtemperatur nur sehr langsam mit dem Sauerstoff in der Luft und deshalb sind die Veränderung erst nach einigen Jahren zu erkennen.
Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht
Bei chemischen Reaktionen kann die Reaktionsgeschwindigkeit v, definiert werden.
Die Reaktionsgeschwindigkeit in Stoffmenge pro Zeit hängt natürlich von der Grösse des Systems ab. Betrachtet man ein doppeltes Volumen, verdoppelt sich auch die Geschwindigkeit. Das ist für eine allgemeine Darstellung allerdings ungünstig, weshalb man die Reaktionsgeschwindigkeit als die Änderung der Konzentration pro Zeit definiert:
v=ΔtΔc
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist allerdings nicht konstant, denn Du musst auch berücksichtigen, dass die Konzentrationen der Edukte abnimmt, während die der Produkte zunimmt.
Ein negatives Vorzeichen gleicht die Abnahme der Eduktkonzentrationen aus, um einen positiven Wert für v zu erhalten. Schliesslich musst Du noch die Zahl der pro Formelumsatz verschwindenden und entstehenden Teilchen berücksichtigen. Bei der Reaktion A+B−>2C entstehen aus einem A und einem B zwei C. Das bedeutet, dass die Konzentration von C doppelt so schnell steigt, wie die von A und B abnimmt. Die Konzentrationsänderung Δc(C) musst Du deshalb durch die zugehörige Stöchiometriezahl, in diesem Beispiel die 2, dividiert werden. Daraus folgt, dass Du die Reaktionsgeschwindigkeit der ReaktionA+B−>2C auf folgende drei Arten angeben kannst:
v=−ΔtΔc(A)=−ΔtΔc(B)=21ΔtΔc(C)
Ein konkretes Beispiel: der Raketenstart durch eine Knallgasreaktion: 2 H2(g)+O2(g)⟶2H2O
Dabei beträgt die Reaktionsgeschwindigkeit:
v=−21ΔtΔc(H2)=−ΔtΔc(O2)=21ΔtΔc(H2O)
Konzentrationsveränderungen
Um ein Medikament sicher zu verabreichen, braucht es Vorkenntnisse über die zeitliche Veränderung der Konzentration des Medikaments im Blut. Dadurch versucht man die beabsichtigte Wirkung zu treffen und nicht eine zu geringe Konzentration oder eine zu hohe Konzentration und die dadurch entstehenden Nebenwirkungen zu vermeiden. Die Abbildung zeigt die Konzentration eines Wirkstoffs W im Blut, nachdem der Maximalwert erreicht wurde.
c(W) nimmt ab, wegen der Umwandlung des Wirkstoffs W in sein Abbauprodukt A: W⟶A.
Mittlere Reaktionsgeschwindigkeit
Konzentrations-Zeit-Diagramme kannst Du zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer Reaktion verwenden. Dabei ist die Steigung der blauen Geraden gleich dem Quotienten aus der Konzentrationsänderung Δc und dem gewählten Zeitintervall Δt; so kannst Du die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit v ermitteln.
Um die Steigung zu berechnen, solltest Du ein Steigungsdreieck konstruieren. Dabei dividierst Du die Konzentrationsänderung durch das Zeitintervall:
Da W ein Edukt ist und seine Stöchiometriezahl in der Reaktionsgleichung eins beträgt, gilt für die Reaktionsgeschwindigkeit im gewählten Intervall: v=Δt−Δc(W)≈18.6μmol⋅l−1⋅h−1
Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit v einer chemischen Reaktion ist gleich der negativen Konzentrationsänderung des Ausgangsstoffs, geteilt durch das benötigte Zeitintervall und die Stöchiometriezahl.
Momentane Reaktionsgeschwindigkeit
Wenn die Grösse des Zeitintervalls gegen den Wert null strebt (Δt⟶dt), dann wird aus einer Geraden, die die Kurve schneidet, eine Tangente (rot). Ihre Steigung ist gleich der momentanen Änderungsrate der Konzentration dtdc .
Die Steigung einer Tangente kannst Du berechnen, indem Du die Schnittpunkte mit den Achsen ermittelst. Die Achsenabschnitte entsprechen den Katheten im Steigungsdreieck. Für die Tangente an der Kurve zum Zeitpunkt t = 1,4 h gilt:
dtdc(W)=(4−0)h(0−220)μmol⋅l−1=55μmol⋅l−1⋅h−1
v=−dtdc(W)=55μmol⋅l−1⋅h−1
Mit zunehmender Zeit wird die Kurve flacher, das drückt aus, dass die momentane Reaktionsgeschwindigkeit sinkt.
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Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Warum nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Zeit ab?
Weil sich die Konzentration der Edukte verringert. Mit der Zeit stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein. Die Konzentration der Produkte steigt und damit wird die Rückreaktion schneller. Irgendwann ändern sich die Konzentrationen nicht mehr.
Was sagt die Reaktionsgeschwindigkeit aus?
Sie gibt an, wieviele Teilchen pro Zeit in einer chemischen Reaktion umgesetzt werden. Diese Geschwindigkeit hängt dabei von vielen Faktoren ab.
Was bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit?
Die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion wird von der Temperatur, der Konzentration der beteiligten Stoffe, von der Oberfläche der reagierenden Stoffe und der Anwesenheit von Katalysatoren beeinflusst.