6.2 KinetikKapitel 6 - Reaktionslehre



Die Kinetik beschreibt die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Aus dem Alltag ist bekannt, dass einige Reaktionen langsam verlaufen, wie etwa das Vergilben von Papier oder das Rosten eines eisernen Gegenstandes, andere hingegen sind recht schnell, wie das Verbrennen von Benzin.
Die Reaktionsgeschwindigkeit drückt aus, welche Stoffmenge in einer bestimmten Zeit umgesetzt wird. Anders formuliert ist die Reaktionsgeschwindigkeit die Änderung der Konzentrationen der beteiligten Stoffe pro Zeiteinheit:
Für eine ganz allgemeine Reaktion mit den Edukten A und B, den Produkten C und D und den jeweiligen stöchiometrischen Koeffizienten a, b, c, und d



a A + b B c C + d D

lässt sich schreiben





Eine andere mögliche Formulierung ist das Zeitgesetz einer Elementarreaktion:

v = k ca(A) x cb(B)

Dabei ist k die Geschwindigkeitskonstante der chemischen Reaktion.

Der Ausdruck für das Geschwindigkeitsgesetz ist gefährlich. Geschwindigkeitsgesetze werden grundsätzlich empirisch, via Experiment, entwickelt. Der Umstand, dass die stöchiometrischen Faktoren als Potenzen der Konzentrationen eingesetzt werden können, ist nicht allgemeingültig, sondern gilt nur bei Elementarreaktionen. Der Mechanismus, der der Reaktion zu Grunde liegt, bestimmt das Zeitgesetz. Eine scheinbar ähnliche Reaktion kann mechanistisch ganz anders verlaufen und wird demzufolge durch ein anderes Geschwindigkeitsgesetz beschrieben. Es ist nicht grundsätzlich zwingend, dass alle Edukte die Geschwindigkeit einer Reaktion beeinflussen. Dies wird exemplarisch an den beiden folgenden Beispielen gezeigt:


2 H2 + 2 NO 2 H2O + N2

Empirisches Zeitgesetz: v = k c(H2) x c2(NO)

H2 + I2 2 HI

Empirisches Zeitgesetz: v = k c(H2) x c(I2)

Das Zeitgesetz der ersten Reaktion besagt, dass die Reaktion doppelt so schnell verläuft, wenn die Konzentration des Wasserstoffs (c(H2)) verdoppelt wird. Sie läuft hingegen viermal so schnell ab, wenn die Konzentration von Stickstoffmonoxid (c(NO)) verdoppelt wird.
Es ist schwierig, vorauszusagen welches Zeitgesetz eine chemische Reaktion befolgt. Dennoch stimmt für die meisten chemischen Reaktionen der Grundsatz, dass ihre Geschwindigkeit mit der Zeit exponentiell abnimmt.









Um eine chemische Reaktion zu beschleunigen oder sie zu verlangsamen, können einige Reaktionsparameter verändert werden:



Katalysatoren sind Hilfsstoffe, die einem Reaktionsgemisch beigegeben werden können. Sie ermöglichen einen anderen Reaktionsweg bzw. Reaktionsmechanismus mit niedrigerer Aktivierungsenergie. Sie erhöhen damit die Reaktionsgeschwindigkeit. Oft bewirken sie, dass Reaktionen unter milden Bedingungen stattfinden können. Katalysatoren sind in biologischen Systemen verbreitet, es sind die Enzyme. Sie erlauben die Verbrennung von Zucker und Fetten bereits bei 37 C!
Katalysatoren werden nicht nur in der chemischen Industrie eingesetzt, um mildere und damit schonendere und kostengünstigere Verfahren durchzuführen, sondern auch im Alltag sind sie anzutreffen. Die Waschmittelreklame preist waschaktive Enzyme an und der Autokatalysator ist bereits in jedem Auto serienmässig eingebaut.

Der Autokatalysator ist ein seit einigen Jahren bewährtes Mittel, um die Autoabgase umweltverträglicher zu machen. Die Stoffe, die ein Auto in die Umwelt entlässt, sind:





In dieser Liste sind besonders die Stoffe CO, NOx und KW für die Umwelt bedenklich. Ein Katalysator ist so konzipiert, dass er genau diese drei toxischen Stoffe umwandelt:
CO CO2
KW CO2 + H2O
NOx CO2 + N2


In dieser Weise werden die toxischen Stoffe in harmlosere Stoffe umgewandelt. Die durch den Automobilverkehr verursachten Umweltbelastungen werden gemindert. Die Wirkung, die ein Autokatalysator erzielt, ist nachfolgend dargestellt.

 KW
g/km
CO
g/km
NOx
g/km
Partikel
g/km
Benzinmotor1.3210.442.650.02
Benzinmotor
mit Katalysator
0.091.060.090.006
Dieselmotor0.180.80.640.21
Grenzwerte
US 95
0.262.120.30.125




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