Kinetik

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Die Kinetik beschäftigt sich mit dem zeitlichen Ablauf chemischer Reaktionen (Reaktionskinetik) oder physikalisch-chemischer Vorgänge (z. B. Diffusion). Die molekulare Kinetik (Mikrokinetik) beschäftigt sich mit dem zeitlichen Ablauf einer Reaktion beschäftigt. Die grundlegende Größe, mit der in der Kinetik gearbeitet wird, ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Sie gibt an, wie viele Teilchen pro Zeit in einer chemischen Reaktion umgesetzt werden.

Kinetik[Bearbeiten]

Reaktionsordnung[Bearbeiten]

Für jede Reaktion lässt sich eine Reaktionsgleichung formulieren, die beschreibt, wie viele Edukt-Teilchen miteinander reagieren, um eine bestimmte Anzahl Produkt-Teilchen zu bilden. Der Begriff Molekularität sagt aus, wie viele Teilchen (das können Moleküle, Radikale oder Ionen sein) an einer Elementarreaktion beteiligt sind.

Im Falle der Reaktion zweiter Ordnung reagieren zwei Edukte zu (einem oder mehreren) Produkten:

A + B --> P

Das heißt, in einer Elementarreaktion kollidieren die beiden Teilchen A und B miteinander und bilden ein Produkt P. Das ist der statistisch am häufigste Fall bei chemischen Reaktionen. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von den Konzentrationen beider Ausgangsstoffe.

Bei der Reaktion erster Ordnung handelt es sich um Zerfallsprozesse, oft katalytischer (in der Physik auch radioaktiver) Art. Hier kollidieren keine Teilchen miteinander. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist nur von der Konzentration des zerfallenden Stoffes A abhängig:

A --> B + C

Wenn bei einer Reaktion zweiter Ordnung die Konzentration eines Reaktionspartners im großen Überschuss vorliegt, bleibt dessen Konzentration während der Reaktion näherungsweise konstant. Man spricht dann von pseudo-erster Ordnung, weil formal die Gleichungen der Reaktion erster Ordnung hier angewendet werden können.

A --[+B]--> P

Bei der Reaktion nullter Ordnung bleibt die Reaktionsgeschwindigkeit konstant. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn es sich um lichtabhängige Reaktionen handelt, und man das reagierende Photon als Teilchen betrachtet.

A --> P

Bei Reaktionen pseudo-nullter Ordnung ist die Reaktion zwar abhängig von der Konzentration der Reaktanten, jedoch muss einer dabei erst aus einer mit ihm in einem dynamischen Gleichgewicht stehenden anderen Form, die in so großem Überschuss vorliegt, gebildet werden, so dass die Konzentration als konstant angesehen werden kann. Beispiel hierfür ist die Iodierung von Aceton bei dem nur die Enolform reagiert, aber die Ketoform zu nahezu 100 % vorliegt.

Makroskopisch können in der Regel keine Elementarreaktionen beobachtet und gemessen werden, sondern nur eine Serie an Elementarreaktionen mit vielen einzelnen Reaktionsschritten ergeben eine Gesamtreaktion. Als Ergebnis einer experimentellen Messung wird die Gesamtreaktion dann näherungsweise auf die zweite, erste oder nullte Ordnung zurückgeführt.

Je nach Reaktionsbedingungen ergeben sich unter Anwendung der Geschwindigkeitsgesetze im nächsten Abschnitt verschiedene Möglichkeiten:

  • Die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt sich, wenn die Anfangskonzentration eines Eduktes verdoppelt wird: Abhängigkeit erster Ordnung von der Konzentration dieses Stoffes.
  • Die Reaktionsgeschwindigkeit vervierfacht sich, wenn die Anfangskonzentration eines Eduktes verdoppelt wird: Abhängigkeit zweiter Ordnung von der Konzentration dieses Stoffes.
  • Die Reaktionsgeschwindigkeit bleibt gleich unabhängig von der Anfangskonzentration eines Eduktes: Abhängigkeit nullter Ordnung von der Konzentration dieses Stoffes.

Die Gesamtordnung ergibt sich aus der Summe der Einzelordnungen.

Geschwindigkeitsgesetze[Bearbeiten]

Die folgende Tabelle liefert einen Überblick über die wichtigsten Formeln der Reaktionskinetik:

Reaktionstyp - Momentangeschwindigkeit - Halbwertszeit
0. Ordnung
1. Ordnung
2. Ordnung

In dieser Tabelle ist:

  • die Reaktionsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt
  • die Geschwindigkeitskonstante. Sie ist unabhängig von den vorliegenden Konzentrationen, aber abhängig von der Temperatur.
  • die Konzentration des Eduktes A (oft auch als abgekürzt)
  • die Ausgangskonzentration des Eduktes A
  • die Halbwertszeit, also die Zeit, bei der die Ausgangskonzentration des Eduktes A auf die Hälfte abgesunken ist.

Makrokinetik[Bearbeiten]

In der Makrokinetik wird der Einfluss von Wärme- und Stofftransport als makroskopischen Größen mit einbezogen.

Weiterführende Informationen[Bearbeiten]

Eine Einführung zur Kinetik findet sich auf der [Chemgapedia]