Einfluss der Konzentration auf Reaktionen - Chemie

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 5-6, M-Niveau

Einleitung

Chemische Reaktionen können unterschiedlich schnell ablaufen. Ein wichtiger Einflussfaktor ist die Konzentration der reagierenden Stoffe. Bei höherer Konzentration befinden sich mehr Teilchen in einem bestimmten Volumen. Dadurch stoßen mögliche Reaktionspartner häufiger zusammen und die Reaktion läuft häufig schneller ab.

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Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du:

1. Stoffmengenkonzentration erklären und berechnen.
2. den Konzentrationseinfluss mit der Stoßtheorie deuten.
3. die Reaktionsgeschwindigkeit aus Messwerten beurteilen.
4. einen Konzentrationsversuch planen und auswerten.
5. einfache Geschwindigkeitsgesetze beschreiben.

Grundbegriffe

Stoffmengenkonzentration

Die Stoffmengenkonzentration $c$ gibt an, welche Stoffmenge $n$ in einem Volumen $V$ enthalten ist:

$c=\frac{n}{V}$

Eine häufig verwendete Einheit ist $\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}{\mathrm{L}}^{\mathrm{-}\mathrm{1}}$. Eine hohe Konzentration bedeutet, dass sich in einem bestimmten Volumen viele Teilchen des gelösten Stoffes befinden.

Verdünnung

Beim Verdünnen wird Lösungsmittel hinzugegeben. Das Volumen steigt und die Konzentration sinkt. Für eine einfache Verdünnung gilt:

$c_1\cdot V_1=c_2\cdot V_2$

Reaktionsgeschwindigkeit

Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt die Konzentrationsänderung pro Zeit:

$v=\frac{\Delta c}{\Delta t}$

Bei Edukten wird häufig geschrieben:

$v=-\frac{\Delta c(\mathrm{E}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{k}\mathrm{t})}{\Delta t}$

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Erklärung mit dem Teilchenmodell

Stoßhäufigkeit

Bei höherer Konzentration befinden sich mehr Teilchen im gleichen Raum. Die Abstände zwischen möglichen Reaktionspartnern sind im Mittel kleiner. Deshalb steigt die Zahl der Zusammenstöße pro Zeit.

Eine höhere Konzentration bewirkt meist:

1. eine höhere Teilchendichte.
2. mehr Stöße pro Zeit.
3. mehr erfolgreiche Stöße pro Zeit.
4. eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit.

Erfolgreiche Stöße

Nach der Stoßtheorie führt nicht jeder Zusammenstoß zu einer Reaktion. Die Teilchen müssen genügend Energie besitzen und passend orientiert sein. Mindestens die Aktivierungsenergie muss erreicht werden.

Eine Konzentrationserhöhung steigert vor allem die Stoßhäufigkeit. Sie erhöht nicht automatisch die Energie der einzelnen Teilchen.

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Geschwindigkeitsgesetz

Für viele Reaktionen gilt ein experimentell bestimmtes Geschwindigkeitsgesetz:

$v=k\cdot c(A{)}^m\cdot c(B{)}^n$

Dabei ist $k$ die Geschwindigkeitskonstante. Die Exponenten $m$ und $n$ sind die Reaktionsordnungen.

Ordnung bezüglich A	Gesetz	Verdopplung von $c(A)$
Nullte Ordnung	$v=k$	keine Änderung
Erste Ordnung	$v=k\cdot c(A)$	doppelte Geschwindigkeit
Zweite Ordnung	$v=k\cdot c(A{)}^2$	vierfache Geschwindigkeit

Die Aussage „doppelte Konzentration bedeutet doppelte Geschwindigkeit“ gilt nur bei einer Reaktion erster Ordnung bezüglich des betrachteten Stoffes.

Verlauf während der Reaktion

Während der Reaktion werden Edukte verbraucht. Ihre Konzentration sinkt. Dadurch werden Zusammenstöße seltener und die Reaktion wird häufig langsamer.

Schulexperiment: Verschwindendes Kreuz

Bei der Reaktion von Natriumthiosulfat mit verdünnter Salzsäure entsteht fein verteilter Schwefel. Die Lösung wird trüb. Gemessen wird die Zeit, bis ein schwarzes Kreuz unter dem Reaktionsgefäß nicht mehr sichtbar ist.

$\mathrm{N}{\mathrm{a}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{(}\mathrm{a}\mathrm{q}\mathrm{)}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{(}\mathrm{a}\mathrm{q}\mathrm{)}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{N}\mathrm{a}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{(}\mathrm{a}\mathrm{q}\mathrm{)}\mathrm{+}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{(}\mathrm{g}\mathrm{)}\mathrm{+}\mathrm{S}\mathrm{(}\mathrm{s}\mathrm{)}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{(}\mathrm{l}\mathrm{)}$

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Sicherheit

Das Experiment darf nur unter Anleitung einer Lehrkraft durchgeführt werden. Es entsteht reizendes Schwefeldioxid.

1. Trage Schutzbrille und Schutzkleidung.
2. Arbeite mit kleinen Stoffmengen und guter Lüftung oder im Abzug.
3. Führe keine Geruchsprobe durch.
4. Verschließe das Gefäß nicht.
5. Entsorge die Mischung nach Anweisung der Lehrkraft.

Durchführung

1. Stelle Natriumthiosulfatlösungen verschiedener Konzentrationen her.
2. Halte Gesamtvolumen und Temperatur konstant.
3. Verwende immer dieselbe Menge Salzsäure.
4. Starte beim Mischen die Zeitmessung.
5. Stoppe, sobald das Kreuz nicht mehr sichtbar ist.

Variablen

Variablenart	Beispiel
Unabhängige Variable	Konzentration der Natriumthiosulfatlösung
Abhängige Variable	Zeit bis zum Verschwinden des Kreuzes
Kontrollvariablen	Temperatur, Gesamtvolumen, Gefäß und Säuremenge

Als relative Geschwindigkeit kann verwendet werden:

$v_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{l}}=\frac{1}{t}$

Eine kurze Zeit ergibt einen großen Wert für $1/t$ und zeigt eine schnelle Reaktion an.

Grenzen des Konzentrationseinflusses

Eine höhere Konzentration führt nicht immer zu einer höheren Geschwindigkeit.

1. Bei einer Reaktion nullter Ordnung ist die Geschwindigkeit unabhängig von der Konzentration.
2. Bei einer Sättigung sind alle verfügbaren Reaktionsplätze besetzt.
3. Ein langsamer Teilschritt kann die Gesamtreaktion begrenzen.
4. Auch Diffusion oder Stofftransport können geschwindigkeitsbestimmend sein.

Alltag und Technik

1. Verbrennung: Ein höherer Sauerstoffanteil kann Verbrennungen beschleunigen.
2. Industriechemie: Konzentrationen werden zur Steuerung von Produktionsgeschwindigkeit und Sicherheit eingestellt.
3. Umweltchemie: Abbauprozesse hängen oft von den Konzentrationen der Reaktionspartner ab.
4. Biochemie: Enzymreaktionen können bei steigender Substratkonzentration eine Sättigung erreichen.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was beschreibt die Stoffmengenkonzentration? (Die Stoffmenge eines Stoffes pro Volumen) (!Die Masse des Gefäßes) (!Die Temperatur der Lösung) (!Die gesamte Reaktionsdauer)

Warum läuft eine Reaktion bei höherer Konzentration häufig schneller ab? (Weil mehr Zusammenstöße pro Zeit stattfinden) (!Weil jedes Teilchen automatisch mehr Energie besitzt) (!Weil die Aktivierungsenergie verschwindet) (!Weil die Temperatur immer steigt)

Welche Bedingung gehört zu einem erfolgreichen Stoß? (Die Aktivierungsenergie muss erreicht werden) (!Die Lösung muss farblos sein) (!Alle Teilchen müssen gleich groß sein) (!Das Gefäß muss offen sein)

Welche Formel beschreibt die Stoffmengenkonzentration? (c gleich n geteilt durch V) (!c gleich n mal V) (!c gleich V geteilt durch n) (!c gleich n plus V)

Was geschieht beim Verdünnen einer Lösung? (Die Konzentration sinkt) (!Die Konzentration steigt immer) (!Die Stoffmenge verdoppelt sich automatisch) (!Das Lösungsmittel verschwindet)

Was wird beim Versuch mit dem verschwindenden Kreuz gemessen? (Die Zeit bis das Kreuz nicht mehr sichtbar ist) (!Die Masse des Kreuzes) (!Die Siedetemperatur) (!Die Farbe der Salzsäure)

Welche Größe muss beim Konzentrationsversuch konstant bleiben? (Die Temperatur) (!Die untersuchte Konzentration) (!Die gemessene Reaktionszeit) (!Die relative Geschwindigkeit)

Was geschieht bei einer Reaktion erster Ordnung bei Konzentrationsverdopplung? (Die Geschwindigkeit verdoppelt sich) (!Die Geschwindigkeit vervierfacht sich) (!Die Geschwindigkeit halbiert sich) (!Die Geschwindigkeit bleibt gleich)

Was bedeutet nullte Ordnung bezüglich eines Stoffes? (Die Geschwindigkeit ist unabhängig von seiner Konzentration) (!Die Konzentration ist immer null) (!Es entstehen keine Produkte) (!Es gibt keine Aktivierungsenergie)

Was beschreibt die Reaktionsgeschwindigkeit? (Die Konzentrationsänderung pro Zeit) (!Nur die Endmenge des Produkts) (!Die Farbe einer Lösung) (!Die Masse des Reaktionsgefäßes)

Memory

Konzentration	Stoffmenge je Volumen
Stoßhäufigkeit	Zusammenstöße pro Zeit
Aktivierungsenergie	Mindestenergie für eine Reaktion
Verdünnung	Zugabe von Lösungsmittel
Reaktionsgeschwindigkeit	Konzentrationsänderung pro Zeit
Kontrollvariable	konstant gehaltener Einflussfaktor

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Hohe Teilchendichte	hohe Konzentration
Viele Stöße pro Zeit	erhöhte Stoßhäufigkeit
Kurze Trübungszeit	schnelle Reaktion
Konstante Temperatur	Kontrollvariable
Begrenzte Reaktionsplätze	Sättigung

...

Kreuzworträtsel

Konzentration	Welche Größe gibt die Stoffmenge pro Volumen an?
Kollision	Wie heißt ein Zusammenstoß von Teilchen?
Verdünnung	Wie heißt die Zugabe von Lösungsmittel?
Kinetik	Welches Teilgebiet untersucht Reaktionsgeschwindigkeiten?
Aktivierungsenergie	Welche Mindestenergie benötigen erfolgreiche Stöße?
Stoßtheorie	Welches Modell erklärt Reaktionen durch Teilchenzusammenstöße?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Die gibt die Stoffmenge pro Volumen an. Beim Verdünnen nimmt die Konzentration . Eine höhere Teilchendichte erhöht die . Für einen erfolgreichen Stoß muss die erreicht werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt eine Konzentrationsänderung pro . Beim Natriumthiosulfatversuch entsteht fein verteilter . Eine kurze Reaktionszeit bedeutet eine hohe relative . Reaktionsordnungen werden bestimmt.

Offene Aufgaben

Leicht

1. Teilchenbild: Zeichne niedrige und hohe Konzentration im gleichen Volumen.
2. Hypothese: Vermute, wie sich eine Konzentrationsverdopplung auf die Reaktionszeit auswirkt.
3. Begriffskarte: Verbinde Konzentration, Stoßhäufigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit.
4. Alltagsbeispiel: Suche ein passendes Beispiel aus Alltag oder Technik.

Standard

1. Versuchsplanung: Plane einen fairen Konzentrationsversuch.
2. Messreihe: Miss unter Aufsicht mindestens drei Konzentrationen.
3. Diagramm: Trage $1/t$ gegen die Konzentration auf.
4. Fehleranalyse: Untersuche mindestens vier Fehlerquellen.

Schwer

1. Geschwindigkeitsgesetz: Bestimme aus Messdaten eine mögliche Reaktionsordnung.
2. Gasdruck: Erkläre den Zusammenhang zwischen Druck und Teilchenkonzentration bei Gasen.
3. Modellkritik: Beurteile Grenzen der Stoßtheorie.
4. Erklärvideo: Produziere ein Lernvideo zum Konzentrationseinfluss.

Lernkontrolle

1. Magnesium und Salzsäure: Erkläre den erwarteten Verlauf bei zwei unterschiedlich konzentrierten Säuren und nenne alle Kontrollvariablen.
2. Diagrammanalyse: Erkläre, warum eine Konzentrations-Zeit-Kurve im Verlauf flacher wird.
3. Aussage prüfen: Beurteile die Aussage, dass eine Konzentrationsverdopplung immer die Geschwindigkeit verdoppelt.
4. Versuchsvergleich: Entwickle eine Untersuchung, die Konzentrations- und Temperatureinfluss trennt.
5. Sättigung erklären: Erkläre die maximale Geschwindigkeit einer Enzymreaktion.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis solltest Du zeigen, dass Du:

1. die Stoffmengenkonzentration berechnen kannst.
2. Konzentration und Stoffmenge unterscheidest.
3. den Konzentrationseinfluss mit der Stoßtheorie erklärst.
4. Messdaten auswertest und Diagramme deutest.
5. ein Experiment mit Kontrollvariablen planst.
6. Sicherheitsregeln anwendest.
7. Grenzen einfacher Konzentrationsregeln erläuterst.

Verknüpfte Lernbereiche

Einfluss der Konzentration auf Reaktionen - Chemie Stoffmengenkonzentration Reaktionsgeschwindigkeit Stoßtheorie Reaktionskinetik Aktivierungsenergie Geschwindigkeitsgesetz Verdünnung