Chemische Reaktionen: mwg



Yüklə 320,04 Kb.
səhifə2/8
tarix18.05.2018
ölçüsü320,04 Kb.
#44669
1   2   3   4   5   6   7   8

5.3Kollisionstheorie


Mit Hilfe der Kollisionstheorie lässt sich die Reaktionsgeschwindigkeit anschaulich erklären.

4 8 16 24 verschiedene Kollisionen


Allgemeine Anzahl Kollisionen

V ≈ Teile A mal Teile B

V ≈ c(A) mal c(B)
Teilchen werden als starre Körper angesehen, die sich bewegen.


  • Die chemische Reaktion erfolgt durch Zusammenstösse. Je mehr Zusammenstösse im gleichen Zeitraum, umso grösser ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Zusammenstösse zwischen gleichen Teilchen führen nicht zu neuen Produkten.



Kollision


mit Mindestenergie = Aktivierungsenergie

ohne Mindestenergie = Aktivierungsenergie

Damit zwei reaktionsfähige Teilchen miteinander reagieren können, müssen sie eine gewisse Mindestenergie mitbringen.


ohne korrekte Orientierung


mit korrekter Orientierung

Die Teilchen müssen eine gewisse räumliche Orientierung zueinander haben.

Anschauliches Beispiel für die Reaktion (ohne Berücksichtigung der Aktivierungsenergie)


14-13
Cl + NOCl  + Cl2 + NO

5.3.1Aktivierungsenergie


1888 postulierte der schwedische Chemiker Svante Arrhenius,, dass Moleküle eine bestimmte minimale Energie besitzen müssen, um zu reagieren. Woher kommt diese Energie?


Entsprechend dem Stossmodell kommt diese Energie von den kinetischen Energien der gegeneinander stossenden Moleküle.

Wozu wird diese Energie überhaupt genutzt, wenn eine chemische Reaktion stattfinden soll?




Neue Moleküle entstehen, also müssen bei den alten Molekülen Bindungen gebrochen werden

Die Energie, die zum Einleiten einer chemischen Reaktion erforderlich ist, nennt man Aktivierungsenergie Ea. Der Wert von Ea ist je nach Reaktion verschieden.

14-16

Folgender Zusammenhang zwischen dem Anteil von Molekülen verglichen mit ihrer Geschwindigkeit (resp. ihrer kinetischen Energie) kann mittels nebenstehender Graphik dargestellt werden. Wichtige (alte) Erkenntnis:

Bei der höheren Temperatur haben mehr Moleküle höhere kinetische Energien. Damit hat ein grösserer Anteil mehr als die Aktivierungsenergie Ea, die für eine bestimmte Reaktion erforderlich ist.

Je höher die Temperatur, umso grösser ist die Wahrscheinlichkeit wirksamer Zusammenstösse und damit die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen.



Die Arrhenius-Gleichung gibt den Zusammenhang zwischen k und der Temperatur wieder:




k = A * e^(-Ea/R*T) A Konstante, charakteristisch für die jeweilige Reaktion

Bei gewissen Reaktionen entspricht der Faktor exp(-Ea/R·T) dem Bruchteil der Moleküle, deren Energie hoch genug ist, die ‚Aktivierungsbarriere‘ zu überwinden. Mit der Konstanten A werden weitere Faktoren berücksichtigt, wie die notwendige gegenseitige geometrische Ausrichtung der Moleküle.



Aufgabe. Um welchen Faktor steigt der Anteil der Moleküle, welche eine Energie von Ea aufweisen, bei einer Temperaturerhöhung um 10 Kelvin? Ea sei 100 kJ/mol (typischer Wert für viele Reaktionen).

f (t=300K) = 3.87 * 10-18

f(t=310K)= 1.41 * 10-17, also ca. 3.7 mal mehr RGT-Regel …



J. H. VAN`T HOFF fand experimentell heraus, das bei einer Temperaturerhöhung von 10 K die Reaktionsgeschwindigkeit vieler Reaktionen um das zwei- bis dreifache zunimmt. Diese Zunahme nach der RGT Regel (Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel) ist mit der Stosstheorie qualitativ erklärbar

Hinreaktion: 1 > 3 > 2

Rückreaktioni: 3 > 1 > 2



Folgende Reaktionsprofile seien gegeben und der Hinweis, dass die Reaktionsgeschwindigkeit nur von Ea abhängt. In der Regel gilt: je niedriger Ea ist, desto schneller die Reaktion.14-16b

Fragen

Hinreaktion: welche Reaktion ist die schnellste?



Rückreaktion: welche Reaktion ist die schnellste?

      1. Bestimmung der Aktivierungsenergie2


Für die Reaktion von Kaliumiodid mit Ammoniumperoxodisulfat soll die Aktivierungsenergie nach

ARRHENIUS bestimmt werden. Dazu wird die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit mit der Methode der Anfangsgeschwindigkeit untersucht. Bei unterschiedlichen Temperaturen werden die Zeiten bis zum Auftreten der Iod/Stärke-Reaktion gemessen.


Reaktionsgleichung: 2 I (aq) + S2O82– (aq) → I2 (aq) + 2 SO42– (aq)
Experimentelle Daten:

Auswertung:

Hinweis: bei der rechten Abbildung sieht man eine Bestätigung der RGT-Regel.









Vgl: y = -mx + b

x = 1/T Achtung bei der Steigung-Berechung

y = lnk Start-Ende nicht bei 0!!!

m = - Ea/ R (3.6-2.1)/(3.35E-3-3.1E-3) = 6000

Ea aus Steigung: m = -Ea/R … Ea= m*R


5.3.2Exkurs Erläuterung des Begriffes „Reaktionsweg“

Wir betrachten eine einfache Austauschreaktion (D = Deuterium-Atom):



Reaktion hinschreiben:
D + H2  DH + H


Wieso wird d2 kleiner?:

die Atome D und H sich näher kommen


Wieso wird d1 grösser?

H2-Molekül hat eine Bindungslänge von d1. Nach der Bildung von DH verlässt das andere H-Atom seinen ursprünglichen Bindungspartner … Distanz d1 wird grösser (H-Atome nicht mehr aneinander gebunden, sind frei, stossen sich ab).


Während der Reaktion wird d2 (Abstand zwischen D und H) kleiner und d1 (Abstand zwischen den beiden H-Atomen) grösser:


Nun lockert sich aber die alte Bindung bereits, bevor die neue Bindung eng geknüpft ist:

Gibt es nun einen Zusammenhang zwischen der Änderung von d1 und d2 und der Änderung der Energie?

Vorüberlegung an einem einfachen System (Potentialkurve des Moleküls H2):




d1 kleiner machen, Energie steigt. Why:

Abstossung der Kerne


d1 grösser machen, Energie steigt. Why:

Umgekehrt anschauen: beim Abstand x befindet sich das Molekül H2 im idealen Zustand, im Energieminimum …

Trennung erhöht die ‚potentielle Energie’ der beiden beteiligten H-Atome. Grenzwert: Dissoziationsenergie


Für das Dreiersystem D ·· · H · · H lässt sich für jedes Wertepaar d1; d2 die Energie berechnen. (Zum Lösen von Bindungen wird Energie benötigt, beim Knüpfen von Bindungen wird Energie frei.)

Potentialgebirge (Energiegebirge): Blick von oben (Schichtliniendiagramm):




Bei einer exothermen Reaktion wird eine tiefer gelegene, bei einer endothermen Reaktion eine höher gelegene Talsohle am Ende des Reaktionsweges erreicht.


Und wie sieht die ganze Sache als zweidimensionale Graphik aus, y-Achse Energie und x-Achse als Reaktionsweg? Wo ist die Aktivierungsenergie? Wie sähe die Reaktion in Gegenwart eines Katalysators aus?

5.3.3Katalysatoren


Viele chemische Reaktionen verlaufen trotz grosser Phasengrenzfläche und hoher Konzentration der beteiligten Stoffe und trotz hoher Temperatur immer noch so langsam, dass sie praktisch bedeutungslos sind. Durch die Anwendung von Katalysatoren kann in solchen Fällen die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht werden.

Ein Katalysator [katalyein, gr. = losbinden, aufheben] ist ein Stoff, der die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst, ohne im Endergebnis selbst dabei verbraucht zu werden. Edukt und Produkt der Reaktion sind identisch mit und ohne Katalysator!


a) nicht katalysierte exotherme Reaktion

b) Anwendung eines negativen

Katalysators (Inhibitors)

c) Anwendung eines positiven Katalysators

Die Wirkung von Katalysatoren kann häufig durch minimale Mengen von Katalysatorgiften aufgehoben werden (Katalysatorgift, vgl. Blei und Autokatalysator).



5.3.4Beispiele


Autokatalysator

Die meisten Fahrzeuge nutzen fossile Brennstoffe zur Energieerzeugung. Durch die Verbrennung des Benzins im Zylinder eines Motors wird die chemische Energie des Treibstoffs zum Teil in mechanische Energie umgewandelt, die durch das Getriebe auf die Räder übertragen wird. Als Verbrennungsprodukte entstehen die Auspuffgase. Der Auto- und vor allem der Schwerlastverkehr tragen mit etwa 50 % zur Luftverschmutzung bei. Die Verbrennung von einem Liter Benzin führt zu etwa 10.000 Liter Abgasen! Um den Ausstoss der im Abgas enthaltenen Schadstoffe an die Umwelt zu verringern, wird ein Katalysator zwischen Motor und Auspuffanlage zwischengeschaltet.


Mechanismus, grob:
:






Wasserstoffperoxid / Katalase

Am Beispiel des Zerfalls von Wasserstoffperoxid (H2O2) wird die Wirkung von verschiedenen eisenhaltigen Katalysatoren schematisch gezeigt. Der nicht katalysierte Zerfall ist sehr langsam, es kann keine Bildung von Gasblasen beobachtet werden. Schon die Zugabe eines Millimols/l Fe3+-Ionen beschleunigt die Reaktion um das 1000-fache. Wird statt Fe3+ Häm zugegeben, läuft die Reaktion nochmals deutlich schneller. Die Katalase, ein Häm-haltiges Enzym, ist auf die Zersetzung von H2O2 spezialisiert. Entsprechend heftig wird die Reaktion bei deren Zugabe.




Yüklə 320,04 Kb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə