Chemische Kinetik und das chemische Gleichgewicht

Die Orientierung der Stöße

Die Moleküle müssen in einer bestimmten Richtung kollidieren. Die Theorie des Übergangszustands: Auf halbem Weg zwischen den Edukten und Produkten tritt ein aktivierter Komplex auf. Dieser besteht aus den Reagenzien, die eine agglomerierte Form bilden, welche als komplexer aktivierter Komplex oder Übergangszustand bezeichnet wird. Dieser Komplex besitzt immer eine höhere Energie als die Edukte und Produkte, weshalb er sehr instabil ist und seine Lebensdauer sehr kurz ist. Diese Theorie geht davon aus, dass die Reaktionspartner aufeinanderprallen und bevor die Produkte entstehen, eine Zwischenform durchlaufen – ein Aggregat namens Übergangskomplex oder aktivierter Komplex.

Einfluss der Konzentration auf die Reaktion

Wenn wir die Konzentration der Reaktionspartner erhöhen, erhöht sich die Anzahl der Moleküle pro Volumeneinheit. Nach der Stoßtheorie wird es dadurch viel wahrscheinlicher, dass effektive Zusammenstöße stattfinden. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist proportional zur Konzentration der Reagenzien.

Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit

Mit steigender Temperatur erhöht sich die Anzahl der Moleküle, welche die benötigte Aktivierungsenergie zum Reagieren besitzen; die globale Energie des Systems muss dabei nicht massiv wachsen. Deshalb beschleunigt Erhitzen in der Regel die Reaktion.

Einfluss des Aggregatzustands der Reaktionspartner

Wenn die Reagenzien fest sind, sind die Oberflächenbedingungen sehr wichtig. So reagiert Salzsäure mit Eisen in Blockform nur langsam. Wenn es sich um Eisenpulver oder Eisenfeilspäne handelt, ist die Reaktion sehr energisch, da die Oberfläche des Eisens, die der Säure ausgesetzt ist, unendlich viel größer ist und effektive Zusammenstöße viel wahrscheinlicher sind.

• Wenn die Reagenzien in der Gasphase vorliegen (homogene Reaktion), ist die Wahrscheinlichkeit des Kontakts zwischen den Molekülen hoch und die Reaktion begünstigt.
• Wenn die Reagenzien in flüssiger Phase vorliegen (homogene Reaktion), ist die Möglichkeit ebenfalls groß und die Reaktion günstig.
• Wenn zwei Reagenzien in fester Phase vorliegen (homogene Reaktion), wird der Kontakt zwischen den Molekülen gering sein. In der Regel sind diese Reaktionen kaum beschleunigt.
• Bei Reaktionen mit unterschiedlichen physikalischen Zuständen (heterogene Reaktionen) hängt die Geschwindigkeit von der Beschaffenheit der einzelnen Phasen ab.

Einfluss der Aktivierungsenergie

Die Aktivierungsenergie zeigt die Mindestanforderungen für die Energie an, die Moleküle besitzen müssen, um die Möglichkeit einer effektiven Kollision zu gewährleisten.

Einfluss der Reagenzien

Alle Reagenzien haben unterschiedliche Aktivierungsenergien. Wenn die Aktivierungsenergie klein ist, wird die Reaktion leicht ablaufen.

Einfluss der Katalysatoren

Katalysatoren sind Stoffe, welche die Geschwindigkeit der Reaktion ändern, indem sie die Aktivierungsenergie senken. Sie sind an der Reaktion beteiligt, indem sie reaktive Zwischenverbindungen bilden. Reagenzien erhalten so eine andere Struktur und reagieren mit Leichtigkeit, wobei der Komplex sofort zerfällt. Der Katalysator wird zurückgewonnen und theoretisch nicht verbraucht. Katalysatoren werden nur in kleinen Mengen benötigt. Dieser Vorgang wird als Katalyse bezeichnet und die Reaktionen werden katalysiert.

Arten von Katalysatoren

• Enzyme oder Biokatalysatoren: Enzyme sind hochspezifisch und wirken auf bestimmte Reagenzien unter spezifischen Bedingungen von Temperatur, Säuregehalt und Konzentration.
• Chemische Katalysatoren:
  • Kontaktkatalysatoren: Werden bei Reaktionen zwischen Gasen und Flüssigkeiten verwendet. Diese Katalysatoren haben eine sehr solide Auflagefläche (sie sind porös). Da Reagenzien und Katalysatoren in verschiedenen Phasen vorliegen, nennt man dies heterogene Katalyse.
  • Transportkatalysatoren: Stoffe in der gleichen Phase, welche die Geschwindigkeit ändern und an Zwischenprodukten mit niedrigerer Aktivierungsenergie beteiligt sind. Am Ende wird der Katalysator regeneriert. Da er im gleichen Aggregatzustand wie die Reagenzien vorliegt, nennen wir dies homogene Katalyse.
• Negative Katalysatoren oder Inhibitoren: Verringern die Geschwindigkeit der Reaktion.
• Autokatalysatoren: Reaktionen, die Produkte erzeugen, welche in derselben Reaktion als Katalysatoren wirken.

Es gibt zudem Katalysatorgifte, welche die Aktivität vollständig zunichtemachen.

Reaktionsmechanismen

Die meisten chemischen Reaktionen laufen nicht exakt so ab, wie in der stöchiometrischen Gleichung angegeben, sondern über eine Abfolge von einfachen Reaktionen, den sogenannten Elementarreaktionen. Die Summe dieser Elementarreaktionen ergibt die globale chemische Reaktion.

Das chemische Gleichgewicht (Equilibrium)

Wenn eine Reaktion von Edukten (R) zu Produkten (P) führt, kommt ein Zeitpunkt, an dem die Konzentration der Produkte nicht weiter zunimmt. An diesem Punkt befindet sich die Reaktion im Gleichgewichtszustand. Dabei transformieren sich einige Produkte zurück in die Ausgangsstoffe, bis die Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion gleich sind.

In den ursprünglichen Bedingungen haben wir eine gewisse Menge an Reaktanten. Nach einiger Zeit beobachten wir, dass die Reaktion begonnen hat und Produkte entstehen. Die resultierenden Produkte gliedern sich auf und kehren zu Reaktanten zurück. Es kommt eine Zeit, in der die Geschwindigkeit der Hinreaktion die der Rückreaktion einholt und das Gleichgewicht erreicht wird. In diesem Zustand ändern sich die Bedingungen nicht, solange keine äußeren Einflüsse auf das System einwirken. Die makroskopischen Eigenschaften bleiben unverändert. Auf mikroskopischer Ebene (Teilchen) wird jedoch ständig weiter reagiert, weshalb man von einem dynamischen Gleichgewicht spricht.

Das Massenwirkungsgesetz (MWG)

Das Massenwirkungsgesetz beschreibt einen konstanten Wert, der sich aus dem Verhältnis zwischen den Gleichgewichtskonzentrationen der Produkte (hoch ihrem stöchiometrischen Koeffizienten) und den Konzentrationen der Reaktionspartner ergibt. Für die Lösung von Gleichgewichtsaufgaben gilt folgende Methode:

1. Identifizieren der gegebenen Daten.
2. Identifizieren der gesuchten Größen.
3. Umrechnung in Molarität (Konzentration) für Reagenzien und Produkte.
4. Aufstellen der chemischen Reaktionsgleichung.
5. Isolieren der Unbekannten aus dem MWG.
6. Abschluss und Ergebnis mit den korrekten Einheiten.

Interpretation der Gleichgewichtskonstante

Der numerische Wert informiert über die Entwicklung der Reagenzien zu Produkten:

• Ist der Wert kleiner als 1, ist die Konzentration der Reaktanten im Gleichgewicht größer als die der Produkte.
• Ist der Wert größer als 1, ist die Konzentration der Produkte größer. Die Reaktion begünstigt die Produktbildung.

Das Prinzip von Le Chatelier

Faktoren wie Druck, Temperatur und Konzentration beeinflussen das Gleichgewicht. Das Le-Chatelier-Prinzip besagt: Wenn ein System im Gleichgewicht einer Störung von außen ausgesetzt wird, verschiebt sich das Gleichgewicht so, dass es der Störung entgegenwirkt.

Einflussfaktoren auf das Gleichgewicht

• Konzentration: Erhöht man die Konzentration eines Stoffes, verschiebt sich das System in die Richtung, die diesen Stoff verbraucht. Bei Verringerung verschiebt es sich in Richtung der Bildung dieses Stoffes.
• Druck und Volumen: Dies betrifft gasförmige Reaktionen. Der Druck hängt von der Anzahl der Teilchenkollisionen mit den Gefäßwänden ab. Eine Druckerhöhung verschiebt das Gleichgewicht auf die Seite mit der geringeren Stoffmenge (weniger Moleküle).
• Temperatur: Bei einer Temperatursenkung verschiebt sich das Gleichgewicht in die exotherme Richtung (Energie wird frei). Bei einer Temperaturerhöhung verschiebt es sich in die endotherme Richtung (Energie wird absorbiert).
• Katalysatoren: Sie beschleunigen das Erreichen des Gleichgewichts, verändern aber nicht die Lage des Gleichgewichts.

Heterogene Gleichgewichte

Im Gegensatz zum homogenen Gleichgewicht (alle Stoffe in einer Phase) liegen hier die beteiligten Arten in verschiedenen Phasen vor (z. B. Feststoffe und Gase). In der Gleichgewichtskonstante werden reine Feststoffe oder Flüssigkeiten nicht berücksichtigt.

Fällungsreaktionen und Löslichkeit

Wenn ein Feststoff entsteht, spricht man von einem Niederschlag. Fällungsreaktionen treten auf, wenn Ionen in Lösungen interagieren und ein unlösliches Produkt bilden.

Löslichkeit und Löslichkeitsprodukt

Die Löslichkeit ist die maximale Menge einer Substanz, die sich in einer gegebenen Menge Lösungsmittel bei einer bestimmten Temperatur löst (gesättigte Lösung).

• Leicht lösliche Substanzen: Dissoziieren in Lösung vollständig in ihre Ionen.
• Schwerlösliche Substanzen: Ionen und feste Form stehen im Gleichgewicht.

Die Löslichkeit wird oft in mol/L oder g/L angegeben. Da die meisten Lösungsvorgänge von Feststoffen endotherm sind, steigt die Löslichkeit meist mit der Temperatur.

Das Löslichkeitsprodukt ist die Konstante einer gesättigten Lösung, gebildet aus dem Produkt der Ionenkonzentrationen (hoch ihrer stöchiometrischen Koeffizienten). Es gibt drei Situationen:

1. Ionenprodukt < Löslichkeitsprodukt: Lösung ist ungesättigt, kein Niederschlag.
2. Ionenprodukt = Löslichkeitsprodukt: Gleichgewichtszustand (gesättigt).
3. Ionenprodukt > Löslichkeitsprodukt: Übersättigung, ein Niederschlag fällt aus.

Besondere Effekte

• Gemeinsamer Ioneneffekt: Fügt man ein Ion hinzu, das bereits im Gleichgewicht vorhanden ist, verschiebt sich das Gleichgewicht und es fällt mehr Feststoff aus.
• Salzeffekt: Wenn durch Zugabe eines Stoffes Ionen entzogen werden (z. B. durch Bildung einer anderen unlöslichen Verbindung), löst sich der ursprüngliche Niederschlag weiter auf, um das Gleichgewicht gemäß Le Chatelier wiederherzustellen.

Fraktionierte Fällung

In der chemischen Analyse nutzt man die selektive oder fraktionierte Fällung, um bestimmte Ionenarten nacheinander aus einer Lösung abzutrennen.

Weitere Gleichgewichtskonstanten

• Wird eine Reaktion mit n multipliziert, wird die Konstante mit n potenziert.
• Bei der Umkehrreaktion ist die Konstante der Kehrwert der ursprünglichen Konstante.
• Ist eine Reaktion die Summe mehrerer Reaktionen, ist die Gesamtekonstante das Produkt der Einzelkonstanten.
• Gasgleichgewichte: Hier werden oft Partialdrücke zur Berechnung der Konstante verwendet.

Dissoziationsgrad

Der Dissoziationsgrad definiert den Anteil der Moleküle, die reagiert haben bzw. getrennt wurden. Er gibt Aufschluss über die Entwicklung der Reaktion.

Optimierung chemischer Prozesse

Die Steuerung des Gleichgewichts ist entscheidend für die industrielle Optimierung, um eine akzeptable Ausbeute zu erzielen oder unerwünschte Reaktionen (wie Umweltverschmutzung) zu minimieren.