KINETIK |
II. Arrheniusgleichung |
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Die Temperaturabhängigkeit chemischer Reaktionen wird durch eine temperaturabhängige Geschwindigkeitskonstante, k = k(T), mathematisch beschrieben.
(Damit lassen sich Fälle, bei denen sich im der Verlauf der Reaktion die Konzentrationen und die Temperatur ändern, nicht einfach mathematisch erfassen. Solche Rechnung sind dann Gegenstand der "chemischen Technik".)
Nach Arrhenius gilt: |
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Darin bedeuten: |
A |
Präexponentialfaktor (Konstante ohne große physikalische Bedeutung) |
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EA |
Aktivierungsenergie - meistens in kJ/mol angegeben |
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R |
allgemeine Gaskonstante - R = 8,314 J mol-1 K-1 |
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T |
Temperatur, in K |
Wenn man eine Messreihe mit verschiedenen Temperaturen Ti und dafür bestimmten Geschwindigkeitskonstanten ki hat, wendet man die logarithmierte Form der Arrheniusgleichung an, ln(ki) = ln(A) - (EA/R)* (1/Ti). Trägt man demnach ln(ki) gegen (1/Ti) auf, besitzt die mittlere Gerade ("Regressionsgerade", bzw. in EXCEL "Lineare Trendlinie") die Steigung - (EA/R).
Für Rechenaufgaben ist der Fall wichtig, dass 2 Temperaturen
T1 und T2 und 2 dazugehörende Geschwindigkeitskonstanten
k1 und k2 vorliegen.
Dann ist die logarithmierte Form
nach einigen Umformungen:
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Bei der Benutzung dieser Gleichung ist
auf die Einheiten zu achten! |
Physikalische Bedeutung der Arrheniusgleichung:
Die theoretische Ableitung führt zu einer Formel, die auch anschaulich
verständlich ist.
Für eine erfolgreiche chemische Reaktion
müssen sich
die Teilchen treffen (dies ist im Präexponentialfaktor A enthalten),
die Teilchen genügend Energie besitzen (dies ist im Exponentialfaktor
enthalten).
Teilchen müssen die Mindestenergie EA besitzen.
Die
Formel zeigt: Je größer EA desto kleiner ist der Exponentialfaktor;
je größer EA desto kleiner ist k(T), d.h. desto langsamer
wird die Reaktion.
Mit zunehmender Temperatur wird eine chemische Reaktion schneller.
Mit
zunehmendem T wird der Exponentialfaktor größer, weil T im Nenner
steht. Damit wird k(T) größer und die Reaktion schneller. Zweck der
Arrheniusgleichung ist, dieses qualitativ erwartete Verhalten quantitativ zu
beschreiben.
Für die meisten Reaktionen gilt eine Faustregel (RGT-Regel):
10 °C Temperaturerhöhung führen zu einer 2- bis 4-fach höheren
Reaktionsgeschwindigkeit.
Mit der Arrheniusgleichung ist auch die Katalyse verständlich.
Ein
Katalysator verändert die Reaktionsgeschwindigkeit, lässt aber die
Gleichgewichtslage unverändert. Das bedeutet, es bilden sich in Gegenwart
eines Katalysators immer noch prinzipiell gleichviele Produkte, aber in veränderter
Zeit.
In der Arrheniusgleichung bewirkt ein Katalysator eine Veränderung
der Aktivierungsenergie. Wird EA kleiner, wird der Exponentialausdruck
kleiner und damit k(T) größer, die Reaktion also schneller.
Weitere theoretische Informationen |
Rechnungen unter Benutzung der Arrheniusgleichung: BEISPIELE