KINETIK

I.  Geschwindigkeitsgesetz

II. Arrheniusgleichung

Herleitung

Weitere Information

Beispiele

Beispiele

Die Temperaturabhängigkeit chemischer Reaktionen wird durch eine temperaturabhängige Geschwindigkeitskonstante, k = k(T), mathematisch beschrieben.

(Damit lassen sich Fälle, bei denen sich im der Verlauf der Reaktion die Konzentrationen und die Temperatur ändern, nicht einfach mathematisch erfassen. Solche Rechnung sind dann Gegenstand der "chemischen Technik".)

Nach Arrhenius gilt:

Darin bedeuten:

A

Präexponentialfaktor (Konstante ohne große physikalische Bedeutung)

 

EA

Aktivierungsenergie - meistens in kJ/mol angegeben

 

R

allgemeine Gaskonstante - R = 8,314 J mol-1 K-1

 

T

Temperatur, in K

Wenn man eine Messreihe mit verschiedenen Temperaturen Ti und dafür bestimmten Geschwindigkeitskonstanten ki hat, wendet man die logarithmierte Form der Arrheniusgleichung an, ln(ki) = ln(A) - (EA/R)* (1/Ti). Trägt man demnach ln(ki) gegen (1/Ti) auf, besitzt die mittlere Gerade ("Regressionsgerade", bzw. in EXCEL "Lineare Trendlinie") die Steigung - (EA/R).

Für Rechenaufgaben ist der Fall wichtig, dass 2 Temperaturen T1 und T2 und 2 dazugehörende Geschwindigkeitskonstanten k1 und k2 vorliegen.
Dann ist die logarithmierte Form nach einigen Umformungen:

Bei der Benutzung dieser Gleichung ist auf die Einheiten zu achten!
Die Temperatur T muss in K eingesetzt werden;
R enthält J aber
EA wird üblicherweise in kJ/mol angegeben!

Physikalische Bedeutung der Arrheniusgleichung:

Die theoretische Ableitung führt zu einer Formel, die auch anschaulich verständlich ist.
Für eine erfolgreiche chemische Reaktion müssen
  sich die Teilchen treffen (dies ist im Präexponentialfaktor A enthalten),
 die Teilchen genügend Energie besitzen (dies ist im Exponentialfaktor enthalten).

Teilchen müssen die Mindestenergie EA besitzen.
Die Formel zeigt: Je größer EA desto kleiner ist der Exponentialfaktor; je größer EA desto kleiner ist k(T), d.h. desto langsamer wird die Reaktion.

Mit zunehmender Temperatur wird eine chemische Reaktion schneller.
Mit zunehmendem T wird der Exponentialfaktor größer, weil T im Nenner steht. Damit wird k(T) größer und die Reaktion schneller. Zweck der Arrheniusgleichung ist, dieses qualitativ erwartete Verhalten quantitativ zu beschreiben.
Für die meisten Reaktionen gilt eine Faustregel (RGT-Regel): 10 °C Temperaturerhöhung führen zu einer 2- bis 4-fach höheren Reaktionsgeschwindigkeit.

Mit der Arrheniusgleichung ist auch die Katalyse verständlich.
Ein Katalysator verändert die Reaktionsgeschwindigkeit, lässt aber die Gleichgewichtslage unverändert. Das bedeutet, es bilden sich in Gegenwart eines Katalysators immer noch prinzipiell gleichviele Produkte, aber in veränderter Zeit.
In der Arrheniusgleichung bewirkt ein Katalysator eine Veränderung der Aktivierungsenergie. Wird EA kleiner, wird der Exponentialausdruck kleiner und damit k(T) größer, die Reaktion also schneller.

Weitere theoretische Informationen

Rechnungen unter Benutzung der Arrheniusgleichung: BEISPIELE