Grundlagen der Chemischen Kinetik und des Chemischen Gleichgewichts

Chemische Kinetik

Die chemische Kinetik befasst sich mit der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und den Faktoren, die diese beeinflussen. Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt die Änderung der Konzentration von Reaktanten oder Produkten pro Zeiteinheit.

Reaktionsgeschwindigkeit

Für eine allgemeine Reaktion der Form:

aA + bB → cC + dD

ist die Reaktionsgeschwindigkeit (v) definiert als:

v = -1/a * Δ[A]/Δt = -1/b * Δ[B]/Δt = 1/c * Δ[C]/Δt = 1/d * Δ[D]/Δt

(Hinweis: Δ[X]/Δt ist die Änderungsrate der Konzentration von X pro Zeiteinheit.)

Die Geschwindigkeitsgleichung

Die Geschwindigkeitsgleichung beschreibt die Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von den Konzentrationen der Reaktanten:

v = k * [A]^x * [B]^y

• k: Geschwindigkeitskonstante
• [A], [B]: Konzentrationen der Reaktanten
• x, y: Reaktionsordnungen (experimentell bestimmt, nicht unbedingt gleich den stöchiometrischen Koeffizienten a, b)

Einflussfaktoren auf die Reaktionsgeschwindigkeit

• Natur der Reaktanten

  Die Art der beteiligten Stoffe beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit. Bei homogenen Reaktionen (alle Reaktanten in derselben Phase, z.B. Gase oder Lösungen) sind Kollisionen häufiger. Bei heterogenen Reaktionen (Reaktanten in verschiedenen Phasen, z.B. Feststoff und Gas) findet die Reaktion an der Oberfläche statt; eine größere Oberfläche erhöht die Geschwindigkeit.

• Konzentration der Reaktanten

  Eine höhere Konzentration der Reaktanten führt zu einer größeren Anzahl von Molekülen pro Volumeneinheit, was die Wahrscheinlichkeit effektiver Kollisionen erhöht und somit die Reaktionsgeschwindigkeit steigert.

• Temperatur

  Mit zunehmender Temperatur steigt die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle. Dies führt zu:

  • Mehr Kollisionen pro Zeiteinheit.
  • Einem höheren Anteil an Molekülen, die die Aktivierungsenergie (E_a) erreichen oder überschreiten.

  Die Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstante (k) von der Temperatur wird durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben:

  k = A * e^-Ea/RT

  • A: Präexponentieller Faktor (Frequenzfaktor)
  • E_a: Aktivierungsenergie
  • R: Allgemeine Gaskonstante
  • T: Absolute Temperatur (in Kelvin)

• Katalysatoren

  Katalysatoren sind Stoffe, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Sie wirken, indem sie einen alternativen Reaktionsweg mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie (E_a) bereitstellen.

  • Positive Katalysatoren: Erhöhen die Reaktionsgeschwindigkeit.
  • Negative Katalysatoren (Inhibitoren): Verringern die Reaktionsgeschwindigkeit.

  Katalysatoren beeinflussen sowohl die Geschwindigkeit der Hin- als auch der Rückreaktion gleichermaßen und verschieben daher nicht das chemische Gleichgewicht, sondern beschleunigen lediglich dessen Einstellung.

Chemisches Gleichgewicht

Ein chemisches Gleichgewicht stellt sich in einer reversiblen Reaktion ein, wenn die Geschwindigkeit der Hinreaktion und der Rückreaktion gleich sind. Die makroskopischen Eigenschaften des Systems (z.B. Konzentrationen) ändern sich dann nicht mehr.

Gleichgewichtskonstante K_C

Für eine allgemeine reversible Reaktion:

aA + bB ⇌ cC + dD

ist die Gleichgewichtskonstante K_C (bezogen auf Konzentrationen) definiert als:

K_C = ([C]^c * [D]^d) / ([A]^a * [B]^b)

Die Werte der Konzentrationen sind hier die Gleichgewichtskonzentrationen.

Reaktionsquotient Q

Der Reaktionsquotient Q hat die gleiche Form wie die Gleichgewichtskonstante K_C, verwendet jedoch die aktuellen (nicht unbedingt Gleichgewichts-) Konzentrationen:

Q = ([C]^c * [D]^d) / ([A]^a * [B]^b)

Der Vergleich von Q und K_C gibt Aufschluss über die Richtung, in die sich die Reaktion bewegen wird, um das Gleichgewicht zu erreichen:

• Wenn Q < K_C: Die Reaktion läuft vorwiegend nach rechts (Produktbildung) ab.
• Wenn Q = K_C: Das System befindet sich im Gleichgewicht.
• Wenn Q > K_C: Die Reaktion läuft vorwiegend nach links (Reaktantenbildung) ab.

Gleichgewichtskonstante K_P (Druckfunktion)

Für Reaktionen mit gasförmigen Reaktanten und Produkten kann die Gleichgewichtskonstante K_P auch über die Partialdrücke ausgedrückt werden:

K_P = (P_C^c * P_D^d) / (P_A^a * P_B^b)

Der Zusammenhang zwischen K_P und K_C ist gegeben durch:

K_P = K_C * (RT)^Δn

Dabei ist Δn die Differenz der Summe der stöchiometrischen Koeffizienten der gasförmigen Produkte und der gasförmigen Reaktanten:

Δn = (c + d) - (a + b)

Prinzip von Le Chatelier

Das Prinzip von Le Chatelier besagt: "Wird ein chemisches Gleichgewicht durch eine Änderung der äußeren Bedingungen (Temperatur, Druck, Konzentration) gestört, so verschiebt es sich in die Richtung, die dieser Störung entgegenwirkt."

Einflussfaktoren auf das Gleichgewicht

• Temperaturänderung

  Die Auswirkung einer Temperaturänderung hängt von der Enthalpieänderung (ΔH) der Reaktion ab:

  • Exotherme Reaktion (ΔH < 0):
    • Temperaturerhöhung: Das Gleichgewicht verschiebt sich nach links (Richtung der Reaktanten), um die Wärme zu verbrauchen.
    • Temperaturerniedrigung: Das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts (Richtung der Produkte), um Wärme zu erzeugen.
  • Endotherme Reaktion (ΔH > 0):
    • Temperaturerhöhung: Das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts (Richtung der Produkte), um Wärme aufzunehmen.
    • Temperaturerniedrigung: Das Gleichgewicht verschiebt sich nach links (Richtung der Reaktanten), um Wärme abzugeben.

• Druckänderung

  Eine Druckänderung beeinflusst nur Reaktionen, an denen Gase beteiligt sind und bei denen sich die Gesamtzahl der Gasmoleküle ändert (Δn ≠ 0).

  • Druckerhöhung: Das Gleichgewicht verschiebt sich in die Richtung, in der die Anzahl der Gasmoleküle geringer ist, um den Druck zu mindern.
  • Druckerniedrigung: Das Gleichgewicht verschiebt sich in die Richtung, in der die Anzahl der Gasmoleküle größer ist, um den Druck zu erhöhen.

• Volumenänderung

  Eine Volumenänderung hat eine direkte Auswirkung auf den Druck:

  • Volumenerhöhung: Entspricht einer Druckerniedrigung.
  • Volumenverringerung: Entspricht einer Druckerhöhung.

  Die Auswirkungen auf das Gleichgewicht sind analog zu denen der Druckänderung.

• Katalysator

  Ein Katalysator beeinflusst das chemische Gleichgewicht nicht. Er beschleunigt lediglich die Einstellung des Gleichgewichts, indem er die Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion gleichermaßen erhöht.