Reaktionsgeschwindigkeit - Chemie
Reaktionsgeschwindigkeit - Chemie
Einleitung
Wie schnell eine chemische Reaktion abläuft, kann sehr unterschiedlich sein: Eine Explosion geschieht in Sekundenbruchteilen, Eisen rostet dagegen über Tage, Monate oder Jahre. Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, wie stark sich die Menge oder Konzentration eines Stoffes in einer bestimmten Zeit verändert. Sie ist ein zentrales Thema der chemischen Kinetik.
Im Teilchenmodell hängt die Reaktionsgeschwindigkeit davon ab, wie häufig Teilchen zusammenstoßen und wie viele dieser Stöße erfolgreich sind. Ein erfolgreicher Stoß benötigt genügend Energie und eine günstige räumliche Ausrichtung. Du lernst in diesem aiMOOC, Reaktionsgeschwindigkeiten zu bestimmen, Diagramme auszuwerten und den Einfluss von Temperatur, Konzentration, Druck, Oberfläche und Katalysatoren zu erklären.
Lernziele: Du kannst die Reaktionsgeschwindigkeit beschreiben und berechnen, Messwerte in einem Diagramm darstellen, Einflussfaktoren mithilfe der Stoßtheorie erklären und einfache Versuche sicher planen und auswerten.
Grundlagen der Reaktionsgeschwindigkeit
Was bedeutet Reaktionsgeschwindigkeit?
Während einer Reaktion werden Edukte verbraucht und Produkte gebildet. Deshalb kann man die Reaktionsgeschwindigkeit über die Abnahme einer Eduktkonzentration oder die Zunahme einer Produktkonzentration bestimmen.
Für eine mittlere Reaktionsgeschwindigkeit in einem Zeitintervall gilt vereinfacht:
oder
Das Minuszeichen bei einem Edukt sorgt dafür, dass die berechnete Geschwindigkeit positiv ist, obwohl seine Konzentration abnimmt. Eine häufige Einheit ist . In Schulversuchen werden auch Größen wie Gasvolumen pro Zeit oder Massenverlust pro Zeit verwendet.
Momentane und mittlere Geschwindigkeit
Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit bezieht sich auf ein ganzes Zeitintervall. Die momentane Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt die Geschwindigkeit zu einem bestimmten Zeitpunkt. Im Konzentration-Zeit-Diagramm entspricht sie der Steigung einer Tangente an die Kurve.
Zu Beginn ist eine Reaktion oft besonders schnell, weil viele Eduktteilchen vorhanden sind. Im Verlauf sinkt ihre Konzentration. Dadurch gibt es meist weniger wirksame Zusammenstöße und die Kurve wird flacher.
Wie lässt sich die Geschwindigkeit messen?
Je nach Reaktion beobachtet man eine passende messbare Größe:
| Messgröße | Geeignetes Beispiel | Auswertung |
|---|---|---|
| Gasvolumen | Bildung eines Gases | Volumenänderung pro Zeit |
| Masse | Gas entweicht aus einem offenen Gefäß | Massenverlust pro Zeit |
| Konzentration | Edukt wird verbraucht | Konzentrationsabnahme pro Zeit |
| Farbe oder Lichtdurchlässigkeit | Farbiger Stoff entsteht oder verschwindet | Messwertänderung pro Zeit |
| Trübung | Ein schwer löslicher Stoff entsteht | Zeit bis zu einer festgelegten Trübung |
Bei einem fairen Vergleich darf nur der untersuchte Faktor verändert werden. Alle anderen Bedingungen müssen möglichst gleich bleiben. Wiederholungen erhöhen die Zuverlässigkeit.
Stoßtheorie
Die Stoßtheorie erklärt Reaktionsgeschwindigkeiten auf Teilchenebene. Teilchen müssen zusammenstoßen, damit Bindungen gelöst und neue Bindungen gebildet werden können. Nicht jeder Stoß führt zu einer Reaktion.
Ein Stoß ist erfolgreich, wenn die Teilchen mindestens die Aktivierungsenergie besitzen und passend orientiert zusammentreffen. Die Aktivierungsenergie ist die Energiebarriere zwischen Edukten und Produkten.
Eine höhere Zahl erfolgreicher Stöße pro Sekunde bedeutet eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit. Dieses Modell verbindet beobachtbare Versuchsergebnisse mit Bewegungen und Zusammenstößen auf der Teilchenebene.
Einflussfaktoren
Temperatur
Bei höherer Temperatur bewegen sich Teilchen im Mittel schneller. Sie stoßen häufiger und energiereicher zusammen. Vor allem steigt der Anteil der Teilchen, die die Aktivierungsenergie überwinden. Deshalb laufen viele Reaktionen bei höherer Temperatur schneller ab.
Die RGT-Regel ist eine Faustregel: Eine Temperaturerhöhung um 10 K kann die Geschwindigkeit vieler Reaktionen ungefähr auf das Zwei- bis Vierfache erhöhen. Sie gilt nicht für jede Reaktion und nur in begrenzten Temperaturbereichen. Bei Enzymen kann starke Erwärmung sogar zur Schädigung des Enzyms führen.
Konzentration und Druck
Bei höherer Konzentration befinden sich mehr Teilchen in einem bestimmten Volumen. Dadurch kommt es häufiger zu Zusammenstößen. Die Reaktion kann schneller ablaufen.
Bei Gasreaktionen hat eine Druckerhöhung oft einen ähnlichen Effekt: Die Teilchen werden auf ein kleineres Volumen zusammengedrückt. Ihre Stoßhäufigkeit steigt. Dieser Zusammenhang gilt nur sinnvoll für gasförmige Reaktionspartner.
Oberfläche und Zerteilungsgrad
Ein Feststoff kann nur dort reagieren, wo seine Teilchen für den Reaktionspartner erreichbar sind. Pulver besitzt bei gleicher Masse eine größere Oberfläche als ein einzelnes Stück. Deshalb reagiert ein fein zerteilter Feststoff häufig schneller.
Ein Beispiel ist eine Brausetablette: Zerkleinert löst und reagiert sie meist schneller als im ganzen Zustand. Sehr fein verteilte brennbare Stoffe können besonders rasch reagieren. Staubexplosionen zeigen, dass eine große Oberfläche auch ein Sicherheitsrisiko sein kann.
Katalysator
Ein Katalysator ermöglicht einen alternativen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie. Dadurch können bei gleicher Temperatur mehr Teilchen erfolgreich reagieren. Der Katalysator wird nach der Gesamtreaktion wieder zurückgebildet und nicht dauerhaft verbraucht.
Ein Katalysator verändert die Geschwindigkeit, aber nicht die Energiedifferenz zwischen Edukten und Produkten. Bei umkehrbaren Reaktionen beschleunigt er Hin- und Rückreaktion und verschiebt die Lage des chemischen Gleichgewichts nicht.
Die katalytische Zersetzung von Wasserstoffperoxid zeigt die Wirkung besonders deutlich:
Datei:13. Каталитичко разложување на водород пероксид.webm
Die Gesamtreaktion lautet:
Das bekannte Experiment „Elefantenzahnpasta“ macht die schnelle Sauerstoffbildung durch Schaumbildung sichtbar. Solche Demonstrationen gehören wegen der möglichen Wärmeentwicklung und der verwendeten Chemikalien ausschließlich in fachkundige Hände.
Datei:14. Слоновска паста за заби.webm
Art der Stoffe
Auch die Eigenschaften der Reaktionspartner beeinflussen die Geschwindigkeit. Ionenreaktionen in Lösung können sehr schnell sein. Reaktionen, bei denen stabile Bindungen gelöst oder mehrere Teilschritte durchlaufen werden müssen, können langsamer ablaufen. Deshalb reicht ein einzelner Einflussfaktor nicht immer aus, um zwei verschiedene Reaktionen vollständig zu vergleichen.
Reaktionsdiagramme auswerten
In einem Produktmenge-Zeit-Diagramm zeigt eine steile Kurve eine hohe Geschwindigkeit. In einem Eduktkonzentration-Zeit-Diagramm fällt die Kurve bei einer schnellen Reaktion besonders steil. Ein waagerechter Abschnitt bedeutet, dass sich die betrachtete Messgröße nicht mehr verändert.
Wichtig ist die Unterscheidung zwischen Geschwindigkeit und Produktausbeute. Ein Katalysator kann dazu führen, dass die gleiche Endmenge schneller erreicht wird. Er erzeugt nicht automatisch mehr Produkt. Wird dagegen die Menge eines begrenzenden Edukts erhöht, kann sich auch die Endmenge des Produkts ändern.
Beispielrechnung
Die Konzentration eines Edukts sinkt in 40 Sekunden von auf .
Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit in diesem Zeitintervall beträgt also . Für ein späteres Zeitintervall kann ein kleinerer Wert entstehen, weil die Eduktkonzentration bereits gesunken ist.
Versuche sicher planen
Für einen schulischen Versuch brauchst Du eine klare Fragestellung, eine unabhängige Variable, eine abhängige Messgröße und konstante Kontrollvariablen. Lege Messintervalle und Abbruchkriterien vorher fest. Trage die vorgeschriebene Schutzausrüstung und beachte die Anweisungen der Lehrkraft.
Experimente mit konzentriertem Wasserstoffperoxid, leicht entzündlichen Stoffen, Gasentwicklung oder stark exothermen Reaktionen dürfen nicht eigenständig durchgeführt werden. Für einfache Untersuchungen eignen sich beispielsweise Brausetabletten in unterschiedlich temperiertem Wasser, sofern die Lehrkraft den Aufbau freigibt.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Was beschreibt die Reaktionsgeschwindigkeit? (Die Änderung einer Stoffmenge oder Konzentration pro Zeit) (!Die Gesamtmasse aller Atome) (!Die Farbe eines Produkts) (!Die Temperatur eines Raumes)
Warum steht bei der Konzentrationsabnahme eines Edukts oft ein Minuszeichen in der Formel? (Damit die Reaktionsgeschwindigkeit positiv angegeben wird) (!Damit die Zeit negativ wird) (!Damit die Konzentration zunimmt) (!Damit der Katalysator verschwindet)
Was zeigt eine steile Kurve in einem Produktmenge-Zeit-Diagramm? (Eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit) (!Eine geringe Teilchenzahl) (!Eine niedrige Produktausbeute) (!Eine konstante Temperatur)
Welche Bedingung gehört zu einem erfolgreichen Teilchenstoß? (Die Aktivierungsenergie wird erreicht oder überschritten) (!Die Teilchen besitzen keine Bewegungsenergie) (!Die Teilchen dürfen sich nicht berühren) (!Die Reaktion muss im Dunkeln stattfinden)
Warum erhöht eine höhere Konzentration häufig die Reaktionsgeschwindigkeit? (Es gibt mehr Teilchen und damit mehr Zusammenstöße pro Volumen) (!Die Aktivierungsenergie wird immer null) (!Die Teilchen werden größer) (!Das Produkt wird automatisch schwerer)
Warum reagiert ein Pulver häufig schneller als ein gleich schweres Stück? (Das Pulver besitzt eine größere zugängliche Oberfläche) (!Das Pulver enthält mehr Atomsorten) (!Das Pulver hat immer eine höhere Temperatur) (!Das Pulver verändert die Reaktionsgleichung)
Wie wirkt ein Katalysator? (Er eröffnet einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie) (!Er erhöht die Energie der Produkte) (!Er wird vollständig verbraucht) (!Er vergrößert immer die Endmenge des Produkts)
Welche Aussage zur RGT-Regel ist richtig? (Sie ist eine Näherungsregel für begrenzte Temperaturbereiche) (!Sie gilt ausnahmslos für alle Reaktionen) (!Sie besagt eine Halbierung pro zehn Grad) (!Sie betrifft nur den Druck von Gasen)
Welche Größe eignet sich zur Untersuchung einer gasbildenden Reaktion? (Das gebildete Gasvolumen pro Zeit) (!Die Anzahl der Laborstühle) (!Die Farbe des Thermometers) (!Die Länge des Versuchsprotokolls)
Was muss bei einem fairen Vergleich konstant bleiben? (Alle Bedingungen außer dem untersuchten Einflussfaktor) (!Nur die Ergebnisdarstellung) (!Nur der Name des Versuchs) (!Keine der Versuchsbedingungen)
Memory
| Reaktionsgeschwindigkeit | Änderung pro Zeit |
| Aktivierungsenergie | Mindestenergie für einen erfolgreichen Stoß |
| Konzentration | Teilchenzahl pro Volumen |
| Temperatur | Maß für die mittlere Bewegungsenergie |
| Oberfläche | Zugänglicher Bereich eines Feststoffs |
| Katalysator | Alternativer Reaktionsweg |
| Tangente | Momentane Steigung |
| Kontrollvariable | Konstant gehaltene Bedingung |
Drag and Drop
| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Wirkung auf Teilchenebene |
|---|---|
| Temperaturerhöhung | Mehr energiereiche Zusammenstöße |
| Konzentrationserhöhung | Mehr Zusammenstöße pro Volumen |
| Druckerhöhung bei Gasen | Kleinere Abstände zwischen Gasteilchen |
| Zerkleinern eines Feststoffs | Größere zugängliche Oberfläche |
| Zugabe eines Katalysators | Geringere Aktivierungsenergie |
Kreuzworträtsel
| Kollision | Wie nennt man den Zusammenstoß von Teilchen? |
| Konzentration | Welche Größe beschreibt die Stoffmenge in einem bestimmten Volumen? |
| Temperatur | Welcher Einflussfaktor verändert die mittlere Teilchenbewegung? |
| Katalysator | Welcher Stoff eröffnet einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie? |
| Oberfläche | Welcher Bereich eines Feststoffs ist für Reaktionspartner zugänglich? |
| Aktivierungsenergie | Welche Energiebarriere muss für eine Reaktion überwunden werden? |
LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Alltagsbeispiele: Finde vier schnelle und vier langsame Reaktionen aus Alltag, Natur oder Technik und ordne sie begründet.
- Kurvenskizze: Zeichne ein Produktmenge-Zeit-Diagramm für eine schnelle und eine langsame Reaktion und beschrifte die Achsen.
- Teilchenbild: Gestalte zwei Teilchenbilder für niedrige und hohe Konzentration und erkläre den Unterschied.
- Beobachtung: Beobachte unter freigegebenen Bedingungen eine Brausetablette in Wasser und notiere geeignete Messgrößen.
Standard
- Versuchsplan: Plane einen fairen Versuch zum Temperatureinfluss mit Brausetabletten und benenne Variablen, Messverfahren und Sicherheitsregeln.
- Messreihe: Erstelle oder nutze eine Messwerttabelle, zeichne ein Diagramm und bestimme für zwei Intervalle die mittlere Geschwindigkeit.
- Erklärvideo: Produziere ein höchstens zweiminütiges Erklärvideo zur Wirkung eines Katalysators mit einem selbst gezeichneten Energiediagramm.
- Versuchsfehler: Untersuche einen Versuchsaufbau auf mindestens fünf mögliche Fehlerquellen und schlage Verbesserungen vor.
Schwer
- Modellvergleich: Vergleiche eine Erklärung mit der Stoßtheorie mit einer rein makroskopischen Beschreibung und bewerte beide.
- Datenauswertung: Prüfe an bereitgestellten Messdaten, ob die RGT-Regel näherungsweise erfüllt ist, und diskutiere Grenzen.
- Industriebezug: Recherchiere ein industrielles Katalyseverfahren und erkläre, warum Geschwindigkeit, Energiebedarf und Wirtschaftlichkeit zusammenhängen.
- Mini-Forschungsprojekt: Entwickle mit der Lehrkraft eine eigene kinetische Untersuchung, führe Wiederholungsmessungen durch und präsentiere die Unsicherheit Deiner Ergebnisse.
|
|
Lernkontrolle
- Kurvenvergleich: Zwei Reaktionen erreichen dieselbe Produktmenge zu unterschiedlichen Zeiten. Erkläre, was daraus über Geschwindigkeit und Ausbeute folgt.
- Variablenkontrolle: Beurteile einen Versuch, bei dem gleichzeitig Temperatur und Konzentration verändert wurden, und entwickle eine bessere Planung.
- Teilchenebene: Erkläre mit der Stoßtheorie, warum Kühlung Lebensmittelreaktionen verlangsamen kann.
- Sicherheitsbezug: Begründe, warum ein brennbarer Staub gefährlicher sein kann als ein kompakter Feststoff gleicher Masse.
- Energieprofil: Zeichne ein Energieprofil mit und ohne Katalysator und erläutere, welche Größen verändert werden und welche gleich bleiben.
- Methodenwahl: Wähle für eine gasbildende, eine farbige und eine trüb werdende Reaktion jeweils eine Messmethode und begründe Deine Entscheidung.
Lernnachweis
Für einen gelungenen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:
- die Reaktionsgeschwindigkeit sprachlich, grafisch und mit einer einfachen Formel beschreiben kannst,
- Messwerte korrekt tabellierst und in einem Diagramm darstellst,
- mittlere und momentane Geschwindigkeit unterscheidest,
- Temperatur, Konzentration, Druck, Oberfläche und Katalysator mit der Stoßtheorie erklärst,
- Geschwindigkeit und Produktausbeute nicht verwechselst,
- einen fairen und sicheren Versuch planst,
- Messunsicherheiten und Grenzen von Modellen kritisch beurteilst.
OERs zum Thema
Verknüpfte Lernbereiche
aiMOOC-Projekte
Schulfach+
|
|
aiMOOCs
aiMOOC Projekte
|
|
THE MONKEY DANCE
|
|
|