Lernmaterialien für Physikalische Chemie an der Universität Potsdam

In einem Konzentrations-Zeit-Diagramm werden die Konzentrationen auf der Ordinate und die Zeit auf der Abszisse aufgetragen. 

Das Diagramm, kurz auch als c(t)-Diagramm bezeichnet, gibt Rückschlüsse auf die Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsordnung. 

Reaktionsgeschwindigkeit kann man...

• in einem bestimmten Zeitraum messen (mittlere Reaktionsgeschwindigkeit) oder aber 
• zu einem x-beliebigen Zeitpunkt (Momentangeschwindigkeit) messen
• als Anfangsgeschwindigkeit messen (spezieller Fall der Momentangeschwindigkeit)

In diesem Falle reagieren drei Reaktanten zu einem oder mehreren Produkten. 

Eine trimolekulare Reaktion ist sehr selten (rein statistisch ist die Wahrscheinlichkeit sehr gering, dass drei Teilchen zur gleichen Zeit am gleichen Ort sind) und in vielen Fällen wird eine konkurrierende (und dominante) bimolekulare Reaktion beobachtet. Ein Beispiel einer wirklich trimolekularen Reaktion ist die Atomrekombination. 

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist von drei Stoffen abhängig: z.B. 3 A ⟶ A2 + A

flüssig (fl/l)
Eine Flüssigkeit ist Materie im flüssigen Aggregatzustand. Nach einer makroskopischen Definition handelt es sich um einen Stoff, der einer Formänderung so gut wie keinen, einer Volumenänderung hingegen einen recht großen Widerstand entgegensetzt (der Stoff ist nahezu inkompressibel). Flüssigkeiten sind also volumenbeständig, formunbeständig und unterliegen einer ständigen Brownschen Bewegung. 

• Bewegung
  Die Teilchen sind nicht wie beim Feststoff ortsfest, sondern können sich gegenseitig verschieben. Bei Erhöhung der Temperatur werden die Teilchenbewegungen immer schneller. 
• Anziehung
  Durch die Erwärmung ist die Bewegung der Teilchen so stark, dass die Wechselwirkungskräfte nicht mehr ausreichend sind, um die Teilchen an ihrem Platz zu halten. Die Teilchen können sich nun frei bewegen.
• Abstand
  Obwohl der Abstand der Teilchen durch die schnellere Bewegung ein wenig größer wird, hängen die Teilchen weiter aneinander. Für die Verringerung des Volumens einer Flüssigkeit durch Kompression gilt ähnliches wie bei einem Festkörper. Bei einer Temperaturverringerung wird das Volumen ebenfalls kleiner, bei Wasser jedoch nur bis zu einer Temperatur von 4 °C (Anomalie des Wassers), während darunter bis 0 °C das Volumen wieder ansteigt.
• Anordnung
  Obwohl die Teilchen sich ständig neu anordnen und Zitter-/Rotationsbewegungen durchführen, kann eine Anordnung festgestellt werden. Diese Nahordnung ist ähnlich wie im amorphen Festkörper, die Viskosität ist jedoch sehr viel niedriger, d. h. die Teilchen sind beweglicher.

In diesem Falle reagieren zwei Edukte zu einem oder mehreren Produkten. 

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von den Konzentrationen der Ausgangsstoffe. Die meisten bimolekularen Reaktionen in flüssigem oder festem Medium folgen dieser Kinetik.

Die meisten Reaktionsmechanismen setzen sich aus mehreren Elementarreaktionen zusammen. Eine einzelne Elementarreaktion kann mit anderen Elementarreaktionen sehr komplexe Reaktionsfolgen bilden. Es muss daher zwischen der Reaktionsordnung (Zeitgesetz des makroskopischen Vorgangs) und der Reaktionsmolekularität (der reale Vorgang auf molekularer Ebene) unterschieden werden. 

Es gibt:

• monomolekulare Reaktionen (Umordnung von Bindungen, Atomen und Atomgruppen in einem Molekül)
• bimolekulare Reaktionen (Zusammenstoß von zwei Molekülen oder Atomen) 
• trimolekulare Reaktionen (Zusammenstoß von drei Molekülen oder Atomen)

Stimmt die Elementarreaktion mit der Bruttogleichung überein, so ist die Reaktionsordnung automatisch gegeben. Eine bimolekulare Reaktion ist immer eine Reaktion 2. Ordnung. Der Umkehrschluss gilt nicht, d.h. eine Reaktion 2. Ordnung ist nicht automatisch eine bimolekulare Reaktion! 

Die meisten chemischen Reaktionen folgen von ihrer Temperaturabhängigkeit her der Arrhenius-Gleichung, es gibt jedoch auch zahlreiche Ausnahmen. 

Ein anderes Temperaturverhalten besitzen z.B.

• Explosionen, die bei Erreichen einer Zündtemperatur "losgehen"
• Reaktionen mit vorgelagertem Gleichgewicht, dessen Temperaturabhängigkeit berücksichtigt werden muss
• enzymkatalysierte Reaktionen, weil das Enzym in der Hitze zerstört wird

Die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel, auch van-’t-Hoff’sche Regel) ist eine Faustregel die besagt, dass chemische Reaktionen bei einer um 10 K erhöhten Temperatur doppelt bis dreimal so schnell ablaufen. 

Die RGT-Regel wurde von Chemiker van ’t Hoff aufgestellt und 1889 von Svante Arrhenius zur Arrhenius-Gleichung ausgebaut.

-> entpricht dem Prinzip der Energieerhaltung.:

Energie kann weder erzeugt oder vernichetet werden.

Die Änderung der inneren Energie eines Systems (ΔU)

ergibt sich aus dem Wärmeaustausch mit der Umbebung (ΔQ) und der Arbeit

(ΔW) die geleistet wird.

ΔU= ΔQ+ΔW

Hier handelt es sich um Eliminierungen oder radioaktive Zerfallsprozesse. 

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist linear von der Konzentration des zerfallenden Stoffes abhängig. 

A -> B + C

gasförmig (g)

Eine Substanz ist dann ein Gas, wenn sich ihre Teilchen in großem Abstand voneinander frei bewegen und den verfügbaren Raum gleichmäßig ausfüllen. Im Vergleich zum Festkörper oder zur Flüssigkeit nimmt die gleiche Masse als Gas unter Normalbedingungen den rund tausend- bis zweitausendfachen Raum ein.

Zusammen mit den Flüssigkeiten zählen Gase zu den Fluiden. Gase besitzen auch Eigenschaften von Flüssigkeiten: Sie fließen und widerstehen Deformationen nicht, obwohl sie viskos sind. 

Bei idealen Gasen ist die freie Beweglichkeit der einzelnen Teilchen entsprechend der kinetischen Gastheorie vollkommen; dieser Zustand wird erst bei hohen Temperaturen gegenüber dem Siedepunkt erreicht (was z. B. für Wasserstoff und Helium bereits bei Zimmertemperatur gilt).

Füllt man ein beliebiges ideales Gas in ein vorgegebenes Volumen, so befindet sich bei gleichem Druck und gleicher Temperatur darin immer die gleiche Anzahl Teilchen (Atome oder Moleküle), d. h. unabhängig von der Masse jedes Teilchens und somit unabhängig von der Art des Gases. Bei Normalbedingungen beansprucht ein Mol jedes beliebigen Gases einen Raum von 22,4 Litern.

Bei realen Gasen sind noch mehr oder weniger große Anziehungskräfte der Teilchen untereinander wirksam (Van-der-Waals-Kräfte). Der Unterschied ist beim Komprimieren bemerkbar: Gase sind kompressibel, das Volumen idealer Gase ist umgekehrt proportional zum Druck (Zustandsgleichung). Reale Gase weichen von den vorstehend beschriebenen Gesetzmäßigkeiten mehr oder weniger ab.

• Bewegung
  Bei Stoffen im gasförmigen Zustand sind die Teilchen schnell in Bewegung. Ein Gas oder gasförmiger Stoff verteilt sich schnell in einem Raum. In einem geschlossenen Raum führt das Stoßen der kleinsten Teilchen gegen die Wände zum Druck des Gases.
• Anziehung
  Beim gasförmigen Zustand ist die Bewegungsenergie der kleinsten Teilchen so hoch, dass sie nicht mehr zusammenhalten. Die kleinsten Teilchen des gasförmigen Stoffes verteilen sich gleichmäßig im gesamten zur Verfügung stehenden Raum.
• Abstand
  Durch die schnelle Bewegung der Teilchen in einem Gas sind sie weit voneinander entfernt. Sie stoßen nur hin und wieder einander an, bleiben aber im Vergleich zur flüssigen Phase auf großer Distanz. Ein gasförmiger Stoff lässt sich komprimieren, d. h. das Volumen lässt sich verringern.
• Anordnung
  Wegen der Bewegung sind die Teilchen ungeordnet. 

Volumenarbeit wird verrichtet, wenn auf ein abgeschlossenes Gas eine Kraft wirkt und sich dabei das Volumen des Gases ändert. Unter der Bedingung, dass der Druck in dem Gas bei der Volumenänderung konstant ist, lässt sich die Volumenänderungsarbeit mit folgender Gleichung berechnen: 

ΔW = -p*ΔV