2.1 Energetik und Kinetik

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Ganz allgemein bilden Katalysatoren mit einem der Ausgangsstoffe eine reaktionsfähigere Zwischenverbindung, die dann mit einem anderen Stoff weiterreagiert, so dass der Katalysator im Verlaufe der Gesamtreaktion wieder frei wird: A 2 +Kat˝ A 2Kat A 2Kat + B 2 ˝ 2AB+Kat Durch die Bildung reaktionsfähiger Zwischenverbindungen erniedrigen Katalysatoren die benötigte Aktivierungsenergie unter Umständen so stark, dass der betreffende Vorgang ohne jede weitere Aktivierung, d. h. schon bei Zimmertemperatur, verläuft. Katalysatoren beschleunigen chemische Vorgänge, indem sie die Aktivierungsenergie herabsetzen. Der Ablauf einer katalysierten exothermen Reaktion kann durch folgendes Diagramm veranschaulicht werden: Energie Übergangszustand Ausgangsstoffe Aktivierungsenergie ohne Katalysator mit Katalysator Endstoffe Einfluss eines Katalysators auf das Energiediagramm einer exothermen Reaktion Manche (besonders oberflächenwirksame) Katalysatoren sind gegen sehr geringe Mengen bestimmter Substanzen („Katalysatorgifte“) empfindlich und verlieren ihre Wirksamkeit. Beispiele von Katalysatorgiften sind Arsen- und Bleiverbindungen, Schwefelwasserstoff H 2S, Cyanwasserstoff HCN. Aus diesem Grunde darf bei der Verwendung eines Platinkatalysators zur Entgiftung der Autoabgase nur bleifreies Benzin getankt werden. Die Giftwirkung, welche diese Stoffe auf den menschlichen und tierischen Organismus ausüben, ist darauf zurückzuführen, dass sie auch im Körper bestimmte Katalysatoren (Enzyme) unwirksam machen. Inhibitoren (negative Katalysatoren) verlangsamen chemische Vorgänge. Energetik und Kinetik Versuch Katalysierter Zerfall von Wasserstoffperoxid H 2O 2 Kat H2O + 0,5 O 2 Glimmspanprobe H 2O 2 5%ig zerfällt nicht In vier Reagenzgläsern erfolgt getrennte Zugabe von: 1. Braunstein MnO2 2. Stücken roher Kartoffel 3. Stücken gekochter Kartoffel 4. einigen Tropfen Blut Glimmspanprobe zeigt: Bei 1., 2. und 4. entwickelt sich Sauerstoff; bei 3. nicht Biologische Katalysatoren (Enzyme) werden durch Kochen zerstört 71
Reaktionstypen Abnahme der Konzentration eines Ausgangsstoffes C C1 C2 72 ΔC Δt t 1 t 2 Zeit Versuch Einfluss des Zerteilungsgrades Heizöl in einer Porzellanschale ist schwer entflammbar. Sprühen Sie Heizöl in die Bunsenbrennerflamme. 2.1.3 Reaktionsgeschwindigkeit Besonders in der Technik ist es wichtig zu wissen, wie schnell ein chemischer Vorgang abläuft, damit dieser beherrschbar ist und beeinflusst werden kann. Bei einer chemischen Reaktion nimmt innerhalb einer Zeitspanne ∆t die Konzentration c der beteiligten Stoffe entweder zu (Endstoffe) oder ab (Ausgangsstoffe). Um den zeitlichen Verlauf dieser Reaktion zu beschreiben, wird als Reaktionsgeschwindigkeit die in dem Zeitintervall ∆t gemessene Konzentrationsänderung ∆c eines Reaktionspartners definiert: v=– ∆c ∆t v: Reaktionsgeschwindigkeit Die Abnahme (negatives Vorzeichen) der Konzentration des Ausgangsstoffes ist identisch mit der Zunahme (positives Vorzeichen) der Konzentration des Endproduktes. Die Abnahme oder Zunahme der Konzentration eines Reaktionspartners steht stellvertretend für die Geschwindigkeit der gesamten Reaktion. Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit haben eine Reihe von Bedingungen: Art der Stoffe Stoffe mit Ionenbindung reagieren in gelöster Form spontan, da die Ionen frei beweglich sind. Liegen Stoffe mit Atombindung vor, so reagieren sie meist langsamer, da die Bindungen erst geöffnet werden müssen. Dazu ist häufig Aktivierungsenergie erforderlich. Verteilungszustand und Aggregatzustand In Flüssigkeiten oder Gasen können die Reaktionspartner molekular durchmischt werden. Daher werden chemische Reaktionen häufig in Lösung oder in der Gasphase durchgeführt. Konzentration bei Lösungen und Druck bei Gasen Je mehr Teilchen vorhanden sind, um so größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass Teilchen zusammenstoßen. Es kann sich dadurch der Übergangszustand in einem bestimmten Zeitintervall ∆t öfters ausbilden. Konzentrierte Säuren oder Laugen wirken daher stärker ätzend als verdünnte. Temperatur des Reaktionsgemisches Je höher die Temperatur eines Stoffes ist, desto schneller bewegen sich die Teilchen. Dadurch werden die Zusammenstöße der Teilchen energiereicher (höhere Bewegungsenergie) und der Übergangszustand kann sich leichter ausbilden. Auch die
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