Wie schnell eine Reaktion abläuft
Die Reaktionskinetik beschreibt, wie schnell sich die Konzentrationen der beteiligten Stoffe mit der Zeit ändern. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt in der Regel von der Konzentration der Edukte ab. Wie stark, gibt die Reaktionsordnung an. Sie wird experimentell bestimmt und lässt sich nicht einfach an den Koeffizienten der Reaktionsgleichung ablesen.
Bei einer Reaktion nullter Ordnung ist die Geschwindigkeit konstant, die Konzentration fällt linear. Das kommt vor, wenn ein Katalysator oder ein Enzym gesättigt ist, etwa beim Abbau von Alkohol in der Leber. Bei erster Ordnung ist die Geschwindigkeit proportional zur Konzentration, die Konzentration nimmt exponentiell ab wie beim radioaktiven Zerfall. Bei zweiter Ordnung hängt die Geschwindigkeit vom Quadrat der Konzentration ab.
Integriert man diese Geschwindigkeitsgesetze, erhält man Formeln für die Konzentration zu jedem Zeitpunkt. Daraus folgt auch die Halbwertszeit, nach der die Hälfte des Edukts umgesetzt ist. Diese Formeln stehen in jedem Lehrbuch der physikalischen Chemie, etwa bei Atkins, und werden in der Oberstufe und im ersten Studienjahr behandelt.
Ordnung erkennen und k aus Messwerten bestimmen
Welche Ordnung vorliegt, erkennt man an der Halbwertszeit. Bei erster Ordnung bleibt sie gleich, egal wie viel Stoff noch vorhanden ist. Bei nullter Ordnung wird sie mit sinkender Konzentration kürzer, bei zweiter Ordnung länger. In der Auswertung von Messreihen trägt man deshalb c, ln c und 1/c gegen die Zeit auf; die Darstellung, die eine Gerade ergibt, verrät die Ordnung, die Steigung den Betrag von k.
Haben Sie eine Anfangskonzentration und eine zweite Messung, berechnet der Rechner die Geschwindigkeitskonstante direkt. Mit c₀ = 0,5 mol/L und 0,25 mol/L nach 60 Sekunden ergibt sich bei erster Ordnung k = ln 2 ÷ 60 = 0,01155 pro Sekunde, die Halbwertszeit ist dann genau 60 Sekunden. Für eine belastbare Auswertung sollten Sie aber mehrere Messpunkte verwenden.
Bei nullter Ordnung erreicht die Konzentration nach endlicher Zeit null, nämlich nach c₀ ÷ k. Der Rechner zeigt diesen Zeitpunkt an und gibt danach die Konzentration null aus. Bei erster und zweiter Ordnung nähert sich die Konzentration null nur an. Die zweite Ordnung gilt hier für den Fall, dass ein Edukt mit sich selbst reagiert oder beide Edukte gleich konzentriert sind.
Die Zeit wird in Sekunden eingegeben. Liegt k in pro Minute oder pro Stunde vor, können Sie die Zeit in derselben Einheit eintragen; dann sind auch Halbwertszeit und Umsatzzeitpunkt in dieser Einheit. Wie sich k mit der Temperatur ändert, beschreibt die Arrhenius-Gleichung, für die es einen eigenen Rechner gibt.
Tipps und typische Fehler
Kinetik auswerten.
- Ordnung: Aus Messdaten.
- Grafik: c, ln c, 1/c.
- Einheiten: Zeit einheitlich.
- Temperatur: Konstant halten.
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Häufige Fragen
Woran erkenne ich eine Reaktion erster Ordnung?
Die Halbwertszeit bleibt während der ganzen Reaktion gleich.
Welche Einheit hat k?
Nullte Ordnung mol/(L·s), erste Ordnung 1/s, zweite Ordnung L/(mol·s).
Kann ich k aus zwei Messwerten bestimmen?
Ja, mit der Anfangskonzentration und einer Konzentration zu einem späteren Zeitpunkt.
Was ist die Reaktionsgeschwindigkeit?
Die Änderung der Konzentration eines Stoffs pro Zeit, meist in mol je Liter und Sekunde.
Warum steigt k mit der Temperatur?
Mehr Teilchen haben genug Energie, um die Aktivierungsenergie zu überwinden. Das beschreibt die Arrhenius-Gleichung.
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