Telekolleg - Chemie


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Chemie - 6. Folge Reaktionsgeschwindigkeit

In dieser Folge von Telekolleg Chemie wird es hell, laut und "knallig": In diversen Experimenten wird gezeigt, von welchen Faktoren die Reaktionsgeschwindigkeit abhängt.

Stand: 13.12.2018

Experiment zur Reaktionsgeschwindigkeit | Bild: BR

Neben der Aktivierungsenergie beschäftigt sich die Sendung mit jenen Faktoren, von denen die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen beeinflusst wird. Sie gliedert sich in sieben Sequenzen.

Aktivierungsenergie

Herstellen von Knallgas

Die zur Auslösung einer chemischen Reaktion zuzuführende Energie bezeichnet man als Aktivierungsenergie. An ein Knallgasexperiment, bei dem die exotherme Reaktion sehr schnell und sehr heftig verläuft, schließen sich zwei physikalische Modellexperimente an. Mit deren Hilfe wird das Phänomen der Aktivierungsenergie – also jener Energie, die man zum Auslösen einer chemischen Reaktion zuführen muss – erklärt: Nachdem man Aktivierungsenergie zugeführt hat, "steigt" zum einen eine Schraubenfeder eine Treppe hinunter, zum anderen läuft Wasser über einen (Lage-)Energieberg. Im Weiteren geht die Sequenz noch auf verschiedene Formen der Aktivierungsenergie ein: Bei der Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Otto-Motor wird sie in Form des Zündfunkens zugeführt und zum Auslösen der Explosion eines Chlorgas-Wasserstoff-Gemisches kann man das Licht eines Fotoblitzes verwenden.

Schließlich wird noch gezeigt, dass bei derselben Art der Aktivierungsenergie die ausgelöste Reaktion unterschiedlich stark sein kann. So verbrennt Holz nach Entzündung mit einer Gasflamme relativ langsam, Stahlwolle nach gleich starkem Erhitzen dagegen so gut wie nicht.

Die folgende Bildergalerie zeigt Bilder der Experimente zur Aktivierungsenergie:

Reaktionsgeschwindigkeit und Konzentration der beteiligten Stoffe

Schnelles Verbrennen von Stahlwolle in reinem Sauerstoff

Verbrennt man erhitzte Stahlwolle nicht in Raumluft, sondern in reinem Sauerstoff, führt dies zu einer schnellen und heftigen Reaktion. Hier zeigt sich, dass die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Reaktionspartner abhängt.

Zinkkörner (Zn) in wenig konzentrierter Salzsäure (HCl)

Dies verdeutlicht auch ein zweites Experiment, bei dem man Zink (Zn) in verschieden stark konzentrierte Salzsäure (HCl) gibt.

Zinkkörner (Zn) in stark konzentrierter Salzsäure (HCl)

Bei geringer Konzentration der Säure ist so gut wie keine Reaktion zu beobachten, bei hoher Konzentration ist die Reaktion (Entwicklung von Wasserstoffgas) sehr heftig.

Reaktionsgeschwindigkeit und Zerteilungsgrad

Zink in verschiedenen Verteilungsformen in gleich konzentrierter Salzsäure: Zinkpulver, Zinkkörner, Zinkblech

Auch die Korngröße beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit. Gibt man im Experiment Zink in verschiedenen Verteilungsformen – Blech, große Körner, kleine Körner – zu Salzsäure, so kann man beobachten, dass bei gleicher Konzentration der Säure die geringste Reaktion beim Zinkblech, die heftigste und damit schnellste Reaktion dagegen beim fein verteilten Zinkpulver eintritt .

Modellversuch: Vergrößerung der Oberfläche durch Zerteilen

Dies ist die Folge der Oberflächenvergrößerung beim Zink, was an einem Modell verdeutlicht wird: Eine größere Zerteilung eines Stoffes führt zu einer größeren Oberfläche und damit zu einer größeren Reaktionsfläche.

Reaktionsgeschwindigkeit und Stoffmenge

Messen des entstehenden Wasserstoffvolumens bei der Reaktion von Zink mit Salzsäure

In einem weiteren Experiment reagiert wieder Salzsäure mit Zink. Dabei misst man, wie viel Wasserstoff in einer bestimmten Zeit entsteht. Aufgrund der dazugehörigen Reaktionsgleichung wird die Reaktion zunächst unter dem Gesichtspunkt der daran beteiligten Stoffmengen betrachtet.

Reaktion von Zink (Zn) mit Salzsäure (HCl)

Der Begriff Stoffmenge wird hier erstmals eingeführt. Ihre Einheit "1 mol" ist die Stoffmenge, die 6,022·1023 Teilchen enthält. Praktisch lässt sich die Stoffmenge aus dem Produkt "1 Gramm mal Zahl der Nukleonen" des Atoms beziwhungsweise Moleküls des betreffenden Stoffes berechnen.

Am konkreten Beispiel wird zudem die allgemeine Formel für die Berechnung  der Konzentration einer Stoffmenge (c) entwickelt. Diese ergibt sich aus dem Quotient der Stoffmenge (n) und dem Volumen (V), auf das die Stoffmenge verteilt ist.

Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit

Anhand eines konkreten Beispiels wird die Formel für die Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit (v) entwickelt. Diese ergibt sich aus der jeweils eingetretenen Konzentrationsänderung (Δ c) geteilt durch die dazugehörige Zeit (Δ t). Daraus lässt sich ableiten, dass man die Reaktionsgeschwindigkeit als Veränderung der Konzentration eines reagierenden Stoffes pro Zeiteinheit ansehen kann.

Reaktionsgeschwindigkeit bei der Reaktion von zwei Flüssigkeiten

Unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeit durch unterschiedliche Konzentration

Reagieren verschieden konzentrierte Lösungen von Natriumthiosulfat (Na2S2O3) mit Salzsäure, kann man an der unterschiedlich schnellen Trübung (Ausfall von Schwefel) unterschiedlich schnelle Reaktionsgeschwindigkeiten beobachten. Dabei kann man davon ausgehen, dass eine Verdoppelung der Konzentration ungefähr zu einer Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit führt.

Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur

Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Steigerung der Temperatur

Führt man das Experiment mit Natriumthiosulfat und Salzsäure gegenüber dem vorhergehenden Versuch bei erhöhter Temperatur durch, dann steigt auch die Reaktionsgeschwindigkeit. Als Faustregel kann hier gelten, dass eine Erhöhung der Temperatur um 10 K zu einer Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit führt.

Experiment zur Aktivierungsenergie | Bild: BR zum Quiz Telekolleg Chemie Quiz: Reaktionsgeschwindigkeit

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