Grundlagen der chemischen Kinetik und Thermodynamik

Massenwirkungsgesetz

Das Massenwirkungsgesetz besagt, dass der Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante K_c bei einer bestimmten Temperatur konstant ist, sofern die Konzentrationen im Gleichgewicht eingesetzt werden. Der mathematische Ausdruck für die Gleichgewichtskonstante einer Reaktion der Form aA + bB ⇌ cC + dD lautet:

Der Wert der Gleichgewichtskonstante entspricht dem Verhältnis der Produktkonzentrationen zu den Konzentrationen der Reaktionspartner, wobei jede Konzentration mit ihrem stöchiometrischen Koeffizienten aus der ausgeglichenen Gleichung potenziert wird.

Konzentration von Spezies

In der Gasphase kann die Konzentration auch in Bezug auf Partialdrücke ausgedrückt werden. Da der Gasdruck direkt mit der molaren Dichte (mol/L) bei konstanter Temperatur zusammenhängt (P = (n/V)RT), kann das Gleichgewicht als Funktion der Partialdrücke der Edukte und Produkte geschrieben werden.

Le-Chatelier-Prinzip

Dieses Prinzip besagt: Wenn das chemische Gleichgewicht eines Systems durch eine Änderung von Temperatur, Druck oder Konzentration gestört wird, verschiebt sich das System so, dass der Effekt der Änderung minimiert wird. Es dient dazu, die Auswirkungen von Konzentrations-, Druck-, Volumen- oder Temperaturänderungen auf das chemische Gleichgewicht zu bewerten.

Reaktionsgeschwindigkeit

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist die zeitliche Änderung der Stoffmenge eines Reagens oder Produkts pro Volumen:

Sie ist eine intensive Größe, die von Temperatur, Druck und Konzentration des homogenen Systems abhängt.

Faktoren der Reaktionsgeschwindigkeit

• Konzentration: Die Geschwindigkeit steigt meist mit zunehmender Konzentration der Reagenzien.
• Temperatur: Reaktionen verlaufen bei höherer Temperatur in der Regel schneller.
• Katalysator: Erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit, ohne dabei verbraucht zu werden. Ein Inhibitor hingegen verzögert die Reaktion.
• Oberfläche: Bei festen Reagenzien oder Katalysatoren steigt die Geschwindigkeit mit einer größeren Oberfläche.

Reaktionen zweiter Ordnung

Dies sind Reaktionen, deren Geschwindigkeit von der Konzentration eines Reaktionspartners in zweiter Potenz oder von der Konzentration zweier verschiedener Reaktanden in jeweils erster Potenz abhängt. Das Geschwindigkeitsgesetz lautet: Rate = k[A][B].

Katalysatoren

Katalysatoren sind Stoffe, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöhen, ohne selbst verbraucht zu werden, da sie Zwischenprodukte bilden, die später regeneriert werden. Sie beschleunigen lediglich das Erreichen des Gleichgewichts.

Einteilung der Katalysatoren

• Homogene Katalyse: Reaktionspartner und Katalysator liegen in derselben Phase vor (meist flüssig oder gasförmig).
• Heterogene Katalyse: Reaktionspartner und Katalysator liegen in verschiedenen Phasen vor (Reaktion an der Oberfläche eines festen Katalysators).
• Enzymkatalyse: Hochspezifische biologische Katalysatoren, die biochemische Reaktionen beschleunigen.

Lösungen und Löslichkeit

Lösungen werden oft qualitativ beschrieben, da exakte numerische Werte von relativen Anteilen abhängen:

• Gesättigte Lösungen: Lösungen, in denen sich bei einer bestimmten Temperatur kein weiterer gelöster Stoff mehr aufnehmen lässt.
• Übersättigte Lösungen: Mischungen, die einen Überschuss an gelöstem Stoff enthalten, oft erreicht durch Temperaturerhöhung.

Faktoren der Löslichkeit

Die Löslichkeit hängt ab von:

• Art des Stoffes und des Lösungsmittels
• Temperatur
• Druck

Die Auflösungsgeschwindigkeit hängt zudem von der Teilchengröße, der Rührgeschwindigkeit und der Temperatur ab.

Spontane Prozesse und Radioaktivität

Radioaktive Substanzen emittieren im Wesentlichen drei Arten von Strahlung: Alpha-Teilchen (α), Beta-Teilchen (β) und Gamma-Strahlung (γ).

Radioaktivität: Außer bei Wasserstoff enthalten alle Atomkerne Protonen und Neutronen. Instabile Kerne emittieren spontan Teilchen oder elektromagnetische Strahlung. Dieses Phänomen tritt bei allen Elementen mit einer Ordnungszahl größer als 82 auf.