Kinetik (Chemie)
Die Kinetik ist wie die Thermodynamik ein Teilbereich der physikalischen Chemie. Sie beschäftigt sich mit dem zeitlichen Ablauf einer chemischen Reaktion. Die Kinetik unterteilt sich in zwei Teilbereiche; die Mikrokinetik und die Makrokinetik. Während die Mikrokinetik sich lediglich mit dem zeitlichem Ablauf einer Reaktion beschäftigt, wird in der Makrokinetik der Einfluss von makroskopischem Wärme- und Stofftransport mit einbezogen. In diesem Artikel soll nur auf die Mikrokinetik eingegangen werden.Mikrokinetik
Table of contents |
2 Die Reaktionsordnung 3 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit 4 Literatur |
Ein wichtiger Faktor, der zu berücksichtigen ist, ist die Konzentration der vorliegenden Stoffe. Je mehr Teilchen in einem Volumen vorliegen, desto mehr Kollisionen werden pro Zeiteinheit vorkommen. Da eine Reaktion nur stattfinden kann, wenn zwei Teilchen miteinander kollidieren steigt die Reaktionsgeschwindigkeit also mit der Konzentration der Edukte.
Wenn eine Reaktion folgenden Typs vorliegt
wobei die Reaktionstionsgeschwindigkeit, die Abnahme der Konzentration des Stoffes A und die verstrichene Zeit ist. Diese Reaktionsgeschwindigkeit ist die Durchschnittsgeschwindigkeit der Reaktion, da die einzelnen Moleküle hiervon abweichende Geschwindigkeiten haben können.
Da die Abnahme der Edukte der Zunahme der Produkte entsprechen muss, gilt außerdem
Dieses stark vereinfachte Modell bedarf noch einiger Verfeinerungen bezüglich:
Je nach Anzahl der Rektanden und Art der Reaktion unterscheidet man drei wesentliche Reaktionsordnungen.
... sind unabhängig von der Konzentration der Rektanden. Hier ist die Reaktionsgeschwindigkeit konstant.
wobei
Hier handelt es sich um katalytische oder radioaktive Zerfallsprozesse. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Konzentration des zerfallenden Stoffes.
In diesem Falle reagieren zwei Rektanden zu einem oder mehreren Produkten. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von der Konzentration der Ausgangsstoffe.
wobei
Mathematisch und physikalisch wird dies mit dem Ansatz von Arrhenius begründet. Nach diesem kann die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit mit einer Exponentialfunktion beschrieben werden. Wie oben schon beschrieben lautet die Bestimmungsgleichung für eine Reaktion zweiter Ordnung:
Die Reaktionsgeschwindigkeit
Die grundlegende Größe mit der in der Kinetik gearbeitet wird ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Sie gibt an, wieviele Teilchen pro Zeit in einer chemischen Reaktion umgesetzt werden. Diese Geschwindigkeit hängt dabei von vielen Faktoren ab. Je nach zugrunde liegendem Modell gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, die Reaktionsgeschwindigkeit zu betrachten.
so gilt für die Hinreaktion das GeschwindigkeitsgesetzDie Reaktionsordnung
Reaktionen nullter Ordnung
Beispiele sind photochemische Reaktionen.Reaktionen erster Ordnung
Reaktionen zweiter Ordnung
Die meisten bimolekularen Reaktionen in flüssigem oder festem Medium folgen dieser Kinetik.
Allerdings gibt es einen Sonderfall, bei dem einer der Rektanden in einem sehr hohen Überschuss vorliegt, so dass die Konzentrationsänderung über die Zeit der Reaktion verschwindend gering ist. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn Wasser sowohl Reaktionspartner als auch das Lösungsmittel darstellt (z.B. bei einer Esterhydrolyse). In diesem Fall folgt die Reaktionsgeschwindigkeit den Gesetzmäßigkeiten einer Reaktion erster Ordnung. Da es sich aber trotzdem um eine Bimolekulare Reaktion handelt, spricht man von Reaktionen pseudoerster Ordnung.Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit
RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel): Wird die Temperatur für eine chemische Reaktion um 10 °C erhöht, dann erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit um das 2- bis 3-fache.
Die Temperaturabhängigkeit ist in der sogenannten Geschwindigkeitskonstante enthalten, denn es gilt hier die Arrhenius-Gleichung. Die Geschwindigkeitskonstante ist nur dann eine Konstante, solange die Temperatur nicht verändert wird.