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S., 2018-01

Reaktionsgeschwindigkeit

Im Allgemeinen versteht man unter der Reaktionsgeschwindigkeit (v) die Änderung der Konzentration eines Reaktionsteilnehmers (Δc) in einem bestimmten Zeitintervall (Δt).

Sie ist definiert als: v=Δc/Δt


Messen der Reaktionsgeschwindigkeit

Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu bestimmen, muss die Konzentration der Edukte oder Produkte während des Reaktionsverlaufes gemessen werden. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten:

  1. Falls Säuren oder Laugen bei der Reaktion beteiligt sind, kann die Konzentration der H+-Ionen mit Hilfe eines pH-Meters bestimmt werden.

  2. Falls bei der Reaktion Ionen beteiligt sind und sich deren Anzahl verändert, kann die Leitfähigkeitsänderung gemessen werden. Daraus kann man die Konzentrationsänderung der Stoffe bestimmen.

  3. Falls bei der Reaktion eine neue Farbe, Trübung oder Enttrübung zu beobachten ist, so kann man die Extinktionsänderung mit Hilfe eines Photometers messen. Durch die Messung der Lichtdurchlässigkeit kann eine Aussage über die Konzentration getroffen werden.

  4. Außerdem kann je nach Reaktion die Änderung der Masse oder des Volumens gemessen werden. Dies ist möglich, da die Konzentration antiproportional zum Volumen (c=n/V bzw. c~1/V) und proportional zur Masse ist (mit c=n/V und n=m/M folgt c=m/MV bzw. c~m).

    Bei der Messung spielt es keine Rolle, ob man die Edukte oder die Produkte betrachtet. Es ist aber zu beachten, dass sich das Vorzeichen der Reaktionsgeschwindigkeit ändert. Für abnehmende Edukte ist dieses negativ und für zunehmende Produkte positiv.


Die Auswertung bei Messung des Volumens im Verlauf einer Reaktion ist z.B. mithilfe der Kapillarrohrmethode möglich.

 

Versuch: Reaktion von Magnesium (Mg) und Salzsäure (HCl)

Aufbau:

Messung des Gasvolumens bei der Reakton von MG mit HCl

Durchführung: Ein Reagenzglas mit seitlichem Ausgang und ein Kolbenprober werden mit Hilfe eines Schlauches verbunden. Das Reagenzglas wird mit 10ml 2-molarer Salzsäure und 3g Mg-Band (ca. 5cm) befüllt und mit einem Stopfen verschlossen. An der Skala des Kolbenprobers wird das Volumen des entstehenden Wasserstoffs in bestimmten Zeitabständen abgelesen.


Beobachtung:

Zeit [s] 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Volumen [ml] 0 36 56 68 75 81 87 92 94 96 97


Die Werte werden nun in ein Koordinatensystem eingetragen.

Auswertung der Messung des Gasvolumens bei der Reakton von MG mit HCl



Reaktionsgleichung:   Mg + 2HCl --> H2 + Mg2+ + 2Cl-

 

Schlussfolgerung:

Die Gasentwicklung der Reaktion ist anfangs heftig, lässt allerdings mit der Zeit nach (Sättigungskurve).

 

Beispiel für die Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit:

v=ΔV(H2)/Δt=(68ml-37ml)/(90s-30s)=0,25ml/s

Bei dieser Berechnung handelt es sich allerdings nur um die Durchschnittsgeschwindigkeit im Zeitintervall von 30s bis 90s. Da die Reaktionsgeschwindigkeit nicht konstant ist und sich ständig ändert, ist vielmehr die Momentangeschwindigkeit von Interesse. Dazu muss das Zeitintervall sehr klein werden. Um die Momentangeschwindigkeit zu ermitteln, kann eine Tangente an den Graphen gelegt werden, deren Steigung mit Hilfe eines Steigungsdreieckes bestimmt wird.

Mathematisch wird dies durch den Grenzwert v=limΔt-->0 Δc/Δt ausgedrückt.

Auswertung der Messung des Gasvolumens bei der Reakton von MG mit HCl

Wie man sieht, liegen zu verschiedenen Zeitpunkten auch unterschedliche Steigungen, also unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeiten vor. Diese Reaktion wird im Verlauf deutlich langsamer, bis sie schließlich zum Ende kommt.

 

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Halbwertszeit

Unter der Halbwertszeit versteht man die Zeit, in der die Hälfte des Stoffes reagiert hat.
In dem obigen Beispiel ist die Halbwertszeit bei einem Volumen von ca. 48,5ml erreicht. Die Zeit kann einfach aus dem Graphen abgelesen werden und beträgt rund 49s.

 grafische Bestimmung der Halbwertszeit (HWZ)

 

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