KINETIK |
I. Geschwindigkeitsgesetz |
|
Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion = Veränderung der Konzentration
mit der Zeit.
Die mittlere Geschwindigkeit ist v = Δc
/ Δt.
Mathematisch wird dies (genauer) durch einen
Differentialquotienten definiert:
c ist die Konzentration eines Ausgangsstoffs einer chemischen Reaktion, dann ist |
|
(Im Verlauf der Reaktion nimmt die Konzentration eines Ausgangsstoffs ab; für eine positive Geschwindigkeit wird daher "- dc/dt" definiert.)
Meistens kann die Geschwindigkeitsgleichung in einer Form v = k cn
schreiben. Bei mehreren Stoffen gilt analog v = k c1a
c2b ...
Den Exponenten n oder im allgemeinen Fall die Summe der Exponenten
a + b + ... nennt man die Ordnung der Reaktion.
Eine Reaktion 2. Ordnung
könnte als Beispiel folgende Geschwindigkeitsgesetze haben: v = k c2;
v = k c1 c2
und auch v = k c10,4
c21,6. (Die Teilordnungen müssen nicht ganzzahlig
sein! Die Summe der Exponenten ist jeweils 2.)
Ein wichtiger Fall ist die Reaktion 1. Ordnung
dafür gilt: |
|
Diese (Differential-)Gleichung wird aufgelöst; dabei ist c(0) die Konzentration des Ausgangsstoffs zur Zeit 0 und c(t) die Konzentration des Ausgangsstoffs zu einer späteren Zeit t; c nimmt exponential mit der Zeit ab.
|
|
Zusätzlich zur Geschwindigkeitskonstanten führt man noch die anschauliche Größe "Halbwertszeit" ein. Dies ist die Zeit, in der noch die Hälfte einer vorher vorhandenen Anfangskonzentration vorliegt; c(t1/2) = c(0) / 2.
Bei einer Reaktion 1. Ordnung ist dabei der Zeitanfang
beliebig, |
|
Es gilt der Zusammenhang zwischen Halbwertszeit und Geschwindigkeitskonstante:
|
Wenn in Rechnungen aus gegebenen Paaren c(0) und c(t) entweder k oder t zu
bestimmen ist, wird die Geschwindigkeitsgleichung logarithmiert.
Nach
Umformungen gilt:
|
Mit der logarithmierten Form ist auch eine graphische Darstellung möglich, die anstelle der Exponentialkurve eine Gerade enthält.
ln( c(t) ) = ln(
c(0) ) - k t |
|
Geschwindigkeitsgleichungen für Reaktionen, die nicht 1. Ordnung sind, werden hier ("elementare Einführung für Technische Assistenten/-innen") nicht behandelt.
Bei Interesse: Herleitung der Formeln |
Mit den angegebenen Gleichungen lassen sich verschiedene Aufgabentypen lösen. BEISPIELE
NUR falls links der blaue Balken fehlt: STARTSEITE