Chemische Kinetik und Gleichgewicht: Einflussfaktoren und Formeln

Kinetik: Einflussfaktoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit

1. Geschwindigkeitsgleichung (Rate Law)

• Geschwindigkeitsgleichung: V = k · [A]^m · [B]ⁿ

2. Temperatur (Arrhenius-Gesetz)

• Die Geschwindigkeitskonstante $k$ hängt von der Temperatur $T$ ab: $$k = A \cdot e^{-E_a / (R \cdot T)}$$ (wobei $A$ der präexponentielle Faktor ist)

3. Konzentration und Druck

• Der Druck $P$ ist direkt proportional zur Konzentration $[X]$ (bei konstantem $T$ und $V$): $$P = [X] \cdot R \cdot T$$

4. Aggregatzustand und Teilungsgrad

• Fest (Solid): Wenige Kollisionen, langsame Reaktion. Der Grad der Teilung (Oberfläche) erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit.
• Flüssig (Liquid): Mittlere Kollisionsgeschwindigkeit.
• Gasförmig (Gas): Viele Kollisionen, schnellere Reaktion.

5. Katalysator

• Positiver Katalysator: Erhöht die Geschwindigkeit.
• Negativer Katalysator (Inhibitor): Verlangsamt die Geschwindigkeit.
• Thermochemische Größen (ΔH, ΔG, ΔS) und die Menge der Produkte werden nicht verändert, nur die Geschwindigkeit.

Ordnung der Reaktion

• Ordnung der Reaktion: Der Exponent der jeweiligen Konzentration in der Geschwindigkeitsgleichung.
• Gesamt-Reaktionsordnung: Die Summe der Exponenten der Konzentrationen in der Geschwindigkeitsgleichung.

Weitere Kinetik-Formeln

• Definition der Geschwindigkeit V: Die Geschwindigkeit wird über die Änderung der Konzentration pro Zeit definiert, wobei stöchiometrische Koeffizienten berücksichtigt werden.
• Experimentelle Probleme: Werden oft durch Proportionalität gelöst (Vereinfachen, Ersetzen und Finden der Unbekannten).

Potenzialenergiediagramme und Enthalpie (ΔH)

• Endotherme Reaktion: ΔH = H_Produkte - H_Reaktanten > 0 (Wärme wird aufgenommen).
• Exotherme Reaktion: ΔH = H_Produkte - H_Reaktanten < 0 (Wärme wird freigesetzt).

Chemisches Gleichgewicht (Balance)

Reaktionstypen

• Irreversible Reaktionen: Offene Behälter, Produkte verlassen das System (außer Feststoffe oder Flüssigkeiten).
• Reversible Reaktionen: Geschlossene Behälter. Es sind konkurrierende Prozesse (Bildung und Zerstörung), die das Gleichgewicht erreichen.

Massenwirkungsgesetz (MWG)

• Gleichgewichtskonstante K_c (Konzentration): $$K_c = \frac{[C]^c \cdot [D]^d}{[A]^a \cdot [B]^b}$$
• Gleichgewichtskonstante K_p (Partialdrücke, nur Gase): $$K_p = \frac{P_C^c \cdot P_D^d}{P_A^a \cdot P_B^b}$$
• Zusammenhang zwischen K_p und K_c: $$K_p = K_c \cdot (R \cdot T)^{\Delta n}$$ (wobei Δn die Differenz der stöchiometrischen Koeffizienten der gasförmigen Produkte und Edukte ist)

Berechnung von Gasgemischen im Gleichgewicht

• Zusammensetzung in Vol-%: Vol-% = (n_A / n_Gesamt) · 100
• Partialdruck P_A: P_A = [A] · R · T
• Molenbruch x_A: x_A = n_A / n_Gesamt
• Partialdruck über Molenbruch: P_A = x_A · P_Gesamt

Dissoziationsgrad (α)

• α = Anzahl dissoziierter Mole / Anzahl ursprünglicher Mole
• α = Dissoziierte Konzentration / Ursprüngliche Konzentration = x / C₀

Prinzip von Le Chatelier

Einflussfaktoren auf das Gleichgewicht

Das Gleiten der reversiblen Reaktion erfolgt so, dass es den externen Störungen entgegenwirkt.

• Temperaturänderung:
  • Abkühlung: Begünstigt die exotherme Reaktion.
  • Erhitzung: Begünstigt die endotherme Reaktion.

Anwendungsbereiche der Aggregatzustände

• Fest, Flüssig und Gas: Werden für Berechnungen wie Assoziationen und den Dissoziationsgrad verwendet.
• Nur Gas: Wird für Berechnungen verwendet, die den Druck oder den Molenbruch beinhalten (z. B. K_p, Partialdrücke).