Guten Morgen!
Bei allen chemischen Reaktionen nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit mit steigender
Temperatur zu
Aktivierungsenergie
Es gibt wirksame und unwirksame zwischenmolekulare Zusammenstöße
Zahl der Kollisionen in einem Gasvolumen von 1 L bei 25°C und 101325 Pa: 1031 Kollisionen pro Sekunde
aus: Brown, LeMay, Bursen, Chemie – die zentrale Wissenschaft, Pearson
Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit
• Im allgemeinen Geschwindigkeitsgesetz einer chemischen Reaktion ist die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante die einzige temperaturabhängige Größe
Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit
Die Geschwindigkeitskonstante k ändert sich mit der Temperatur gemäß der Arrhenius-Gleichung
(Svante Arrhenius 1889)
-------------------------------------------------------Ea Arrhenius‘sche Aktivierungsenergie
R Ideale Gaskonstante
T absolute Temperatur
A Faktor, berücksichtigt die geometrische Ausrichtung der Moleküle beim Zusammenstoss
e-Ea/RT Bruchteil jener Molekül-Zusammenstösse, bei denen die gesamte Stossenergie Ea übersteigt
RT
Ea
eAk
Maxwell-Verteilung:
Übergangszustand (Aktivierter Komplex)
• Irgendwo auf dem Weg der Reaktion zwischen A und B gibt es eine Anordnung der Kerne der beteiligten Atome, die maximale potentielle Energie besitzt,
• und ausgehend von der die Reaktion spontan weiterläuft – entweder zu den Produkten oder zurück zu den Reaktanden A und B.
• Diese Kernanordnung bezeichnet man als Übergangszustand der Reaktion.
Energieprofil einer chemischen Reaktion
Isomerisierung von Methylisonitril. Produkt: Acetonitril
Energieprofil einer chemischen Reaktion
aus: Riedl, Allgemeine und Anorganische Chemie, de Gruyter
Energieprofil einer chemischen Reaktion, die über zwei Übergangszustände und eine Zwischenstufe abläuft, wobei der 1. Reaktionsschritt geschwindigkeitsbestimmend ist.
Energieprofil einer katalysierten und einer nicht katalysierten Reaktion
aus: Riedl, Allgemeine und Anorganische Chemie, de Gruyter
Wilhelm Ostwald 1853-1932
Foto aus Wikipedia
Der Autoabgas-Katalysator
OHCOOHC
COOCO
NCONOCO
NCONOCO
OHNCONOCH
22262
22
22
222
22224
6472
22
222
424
22
Aus: Brown, LeMay, Bursten: Chemie – die zentrale Wissenschaft. Pearson
Smog envelopes the skyline of Los Angeles. Photograph: Robert Landau/Corbis
Eugene Houdry erfand 1950 den Autoabgaskatalysator
Eugene Houdry in 1953, holding a small catalytic converter. Courtesy Sunoco, Inc.
Pionier der Katalyse in der Erdölindustrie: katalytisches Cracken langkettiger Kohlenwasserstoffe
Gleichgewicht im Apfelkrieg, aus: Dickerson/Geis, Chemie - eine lebendige und anschauliche Einführung, Verlag Chemie, Basel 1983. v = k * c v Geschwindigkeit mit der die Äpfel über den Zaun geworfen werden k Geschwindigkeitskonstante des Werfers c Konzentration der Äpfel im jeweiligen Garten
Chemisches Gleichgewicht
Es findet (wenn die Reaktionsprodukte nicht entfernt werden) im Reaktionsgemisch stets eine Hinreaktion und eine Rückreaktion statt.
Nach einer gewissen Zeit hat sich ein Gleichgewicht ausgebildet, bei dem Hin und Rückreaktion gleich schnell ablaufen.
Die Gesamtreaktions-geschwindigkeit ist dann gleich Null. Für diesen Fall gilt das Massenwirkungsgesetz (MWG).
Das MWG wurde 1867 von Cato Maximilian Guldberg und Peter Waage (Norwegen) experimentell entdeckt und kinetisch abgeleitet.
Eine chemische Reaktion kommt bei gegebener Temperatur dann zum Stillstand, wenn der Massenwirkungsquotient Q einen für die Reaktion charakteristischen Zahlenwert K erreicht hat.
Foto: Wikpedia
ba
dc
BA
DCQ
dDcCbBaA
Allgemeine Reaktion
aA + bB cC + dD
Im Gleichgewicht gilt:
Q=K
Massenwirkungsquotient=Gleichgewichtskonstante
Es gibt unendlich viele mögliche Gemische der Reaktanden, die dem MWG genügen und daher nach außen hin nicht reagieren!!
ba
dc
BA
DCK
Gekoppelte Reaktionen im Gleichgewicht
Es können z.B. zwei Reaktionen über einen gemeinsamen Reaktanden D miteinander gekoppelt sein:
e
gf
ba
c
ED
GFK
BA
DCK
gGfFeED
DcCbBaA
2
1
Die Gleichgewichtskonstante der Gesamtreaktion ist gleich dem Produkt der Gleichgewichtskonstanten der Einzelreaktionen:
eba
gfc
e
gf
ba
c
EBA
GFC
ED
GF
BA
DCKKK
gGfFcCeEbBaA
21
Kinetische Ableitung des MWG
ba
dc
rück
hin
rückhin
dcrückrück
bhinhin
BA
DC
k
kK
vv
DCkv
BAkv
dDcCbBaAa
Haber-Bosch Verfahren
Katalysator: α-Eisen/Al2O3
braun farblos
Temperaturabhängigkeit der Gleichgewichtskonstante
Chemische Thermodynamik
Systemarten der Thermodynamik
Robert Mayer und James Joule entdeckten Mitte des 19. Jh.
die Äquivalenz von Wärme und mechanischer Energie
Joule‘sches Experiment
• Im Jahre 1847 formulierte Hermann Helmholtz den
1. Hauptsatz der Thermodynamik:
• In einem abgeschlossenen System (d.h. in einem System, dem von außen weder Energie zugeführt noch entzogen wird) in dem sich beliebige (mechanische, thermische, elektrische, chemische) Vorgänge abspielen, bleibt die vorhandene Gesamtenergie erhalten.
• Nach diesem Satz ist es klar, dass es kein Perpetuum Mobile geben kann.
Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik:
• Formulierung von Clausius:es ist unmöglich, dass Wärme von selbst aus einem kälteren auf einen wärmeren Körper übergeht.
• Formulierung von Thomson: es ist unmöglich, eine periodisch wirkende Maschine zu konstruieren, die nichts weiter bewirkt als Abkühlung eines Wärmereservoirs und Leistung mechanischer Arbeit (Prinzip der Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile 2. Art).
In einem abgeschlossenen System strebt die Entropie S irreversibel einem Maximalwert zu. Ist thermodynamisches Gleichgewicht schließlich erreicht, so bleibt die Entropie S konstant.
Vorlesungsversuch zur Temperaturabhängigkeit desVolumens eines Gases: 3 Luftballons
Luft (g) (21% O2)
H2 (g)
CO2 (g)
N2 (l)
Siedepunkt N2: −195,79 °C
Siedepunkt O2: −182,9 °C
Siedepunkt H2: −252,87 °C
Sublimationstemperatur CO2: - 78,5 °C