Chemische Kinetik und Gleichgewicht: Faktoren & Prinzipien

Chemische Kinetik und Reaktionsgeschwindigkeit

Definition der Reaktionsgeschwindigkeit

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist definiert als die Menge der verbrauchten Edukte oder der pro Zeiteinheit produzierten Produkte.

Typische Einheit: Mol pro Liter und Sekunde (mol/(L·s)).

Chemische Kinetik

Die Chemische Kinetik untersucht die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und die Mechanismen, über die sie ablaufen.

Die Kollisionstheorie

Die Kollisionstheorie besagt, dass chemische Reaktionen durch wirksame Kollisionen zwischen den Teilchen der Reaktionspartner (Atome, Moleküle oder Ionen) stattfinden. Für eine wirksame Reaktion sind zwei Bedingungen notwendig:

• Angemessene Orientierung: Die Teilchen müssen in der richtigen räumlichen Ausrichtung aufeinandertreffen.
• Aktivierungsenergie: Die Kollision muss mindestens die notwendige Aktivierungsenergie aufbringen.

Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen

• Natur der Reaktanten (Art des Reagens): Die Geschwindigkeit hängt von der chemischen Beschaffenheit und dem Bindungsstatus der beteiligten Stoffe ab.
• Oberfläche/Verteilungsgrad (Physischer Zustand): Je kleiner die Größe eines festen Materials (oder je feiner es verteilt ist), desto schneller ist die Reaktionsgeschwindigkeit, da die Oberfläche vergrößert wird.
• Konzentration der Reaktionspartner: Je höher die Konzentration der Reaktanten, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit wirksamer Kollisionen und desto schneller läuft die Reaktion ab.
• Temperatur: Wenn die Temperatur höher ist, steigt die kinetische Energie der Teilchen. Dies führt zu einer größeren Anzahl wirksamer Kollisionen, wodurch die Reaktion beschleunigt wird.

Chemisches Gleichgewicht

Reversible und Irreversible Reaktionen

Chemische Reaktionen können reversibel oder irreversibel sein:

• Reversible Reaktionen: Die ursprünglichen Stoffe (Edukte) können aus den Produkten wieder gewonnen werden.
• Irreversible Reaktionen: Die ursprünglichen Stoffe können nicht oder nur schwer aus den Produkten zurückgewonnen werden.

Das Chemische Gleichgewicht

Das Chemische Gleichgewicht ist ein dynamischer Zustand, in dem die Konzentrationen der Edukte und Produkte konstant bleiben. Die Geschwindigkeiten der Hinreaktion und der Rückreaktion sind gleich.

Die Gleichgewichtskonstante (K)

Die Gleichgewichtskonstante (K) ist ein Maß für die Lage des Gleichgewichts. Ihr Wert hängt nur von der Temperatur ab.

• Wenn K klein ist: Das Gleichgewicht ist nach links verschoben (Edukte dominieren).
• Wenn K nahe 1 ist: Es liegen merkliche Konzentrationen von Edukten und Produkten vor.
• Wenn K groß ist: Das Gleichgewicht ist nach rechts verschoben (Produkte dominieren).

Das Prinzip von Le Chatelier

Das Prinzip von Le Chatelier besagt: Wird auf ein System im Gleichgewicht eine Änderung der Temperatur, des Drucks oder der Konzentration angewendet, verschiebt sich das Gleichgewicht in die Richtung, die diese Störung teilweise ausgleicht.

Anwendungsbeispiel: $N_2O_4 ightleftharpoons 2NO_2$

Betrachten wir die endotherme Reaktion: $N_2O_4 + 14 ext{ kcal} ightleftharpoons 2NO_2$

• Temperaturerhöhung: Das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts (begünstigt die endotherme Reaktion).
• Druckerhöhung: Das Gleichgewicht verschiebt sich nach links (begünstigt die Seite mit der geringeren Molzahl).
• Erhöhung der $N_2O_4$-Konzentration: Das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts, um das hinzugefügte Edukt zu verbrauchen.

Faktoren, die die Lage des Gleichgewichts verändern

Temperaturänderungen (Van 't Hoff'sches Gesetz)

Wenn die Temperatur eines Systems im Gleichgewicht erhöht wird, wird diejenige Reaktion begünstigt, die Wärme aufnimmt (endotherme Reaktion).

• Endotherme Reaktion: $A + B + 6,00 ext{ kcal} ightleftharpoons C$. Wird durch Temperaturerhöhung gefördert.
• Exotherme Reaktion: $A + B ightleftharpoons C + 22,000 ext{ kcal}$. Wird durch Temperaturerhöhung gehemmt (Rückreaktion gefördert).

Druckänderungen

Wenn der Druck in einem System im Gleichgewicht erhöht wird, wird die Reaktion begünstigt, bei der das Gesamtvolumen (die Molzahl der gasförmigen Stoffe) verringert wird. Durch die Reduzierung des Drucks wird die Reaktion begünstigt, bei der das Volumen erhöht wird. Druckänderungen haben keine Auswirkung auf Reaktionen, bei denen sich das Volumen nicht ändert.

Katalysatoren

Ein Katalysator beschleunigt die Einstellung des Gleichgewichts, indem er die Aktivierungsenergie senkt. Da er die Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion gleichermaßen beeinflusst, hat er keine Auswirkung auf die Lage des Gleichgewichts oder die Konzentration der Reaktionspartner im Gleichgewicht.

Berechnung der Gleichgewichtskonstante $K_c$

Für die Reaktion $2AB ightleftharpoons C_2 + D_2$ lautet der Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante $K_c$ (Konzentrationen in mol/L):

$$K_c = \frac{[C_2] \cdot [D_2]}{[AB]^2}$$

Die Einheit von $K_c$ ergibt sich aus den Einheiten der Konzentrationen:

$$K_c = \frac{(\text{mol/L}) \cdot (\text{mol/L})}{(\text{mol/L})^2}$$

In diesem spezifischen Fall ist $K_c$ dimensionslos.