Reaktionskinetik

Wie kann man die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion genau messen?

Ein quantitativer Versuch mit Salzsäure und Zink		Ich möchte hier einen einfachen Versuch vorstellen, wie er in den meisten Schulbüchern abgedruckt ist. Auch bei diesem Versuch reagiert Zink mit Salzsäure. Damit wir eine schön heftige Reaktion bekommen, bei der richtig viel Wasserstoff entsteht, verwenden wir Salzsäure der Konzentration c(HCl) = 2 mol/l sowie pulverförmiges Zink.		Vorheriges Kapitel: Wie kann man die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion messen?
Aufbau
Durchführung		In den Erlenmeyerkolben geben wir 5 ml Salzsäure und Zinkpulver im Überschuss. Ein gut gefüllter Spatel sollte reichen. Wir bauen die Apparatur jetzt wie auf der Abbildung zusammen und drehen den 3-Wege-Hahn dann so, dass der Wasserstoff in den Kolbenprober strömen kann. Nach jeder Minute notieren wir das aufgefangene Volumen V(H2). Nach ca. 5 Minuten können wir den Versuch beenden.
Beobachtungen		In der ersten Minute entsteht noch recht viel Wasserstoffgas, bei optimaler Versuchsdurchführung z.B. 20 ml. In den folgenden Minuten geht die Wasserstoffbildung immer stärker zurück, in der letzten Minute fangen wir vielleicht nur noch 10 ml auf.
Auswertung		Aus den Zahlen, die wir in einer Tabelle festgehalten haben, erstellen wir jetzt eine Graphik. Auf der x-Achse tragen wir die Zeit in Minuten auf, auf der y-Achse das Volumen des aufgefangenen Wasserstoffs. Dabei erhalten wir eine Sättigungskurve:
				Diese Kurve wurde nicht experimentell ermittelt, sondern durch eine Berechnung mit einer Tabellenkalkulation: A[n+1] = A[n] * 0,9 für n = 1 bis 25, Anfangswert A[1] = 100. B[n] = 100 - A[n] für n = 1 bis 25. Graphische Darstellung der B-Werte.
		Damit wissen wir aber immer noch nicht, wie man die Reaktionsgeschwindigkeit exakt messen kann. Betrachten wir uns die Kurve einmal näher.
Reaktions- geschwindigkeit		Wir wollen wissen, wie groß die Reaktionsgeschwindigkeit zu einer bestimmten Zeit tx ist. Dazu müssen wir unser Lineal zücken und wie auf der Abbildung oben eine Tangente zeichnen. Die Steigung dieser Tangente ist dann die Reaktionsgeschwindigkeit zur Zeit tx. Wir sehen, dass die Reaktionsgeschwindigkeit am Anfang des Versuches sehr groß ist und dann immer kleiner wird. Würde man den Versuch noch um 10 Minuten oder einen noch größeren Zeitraum verlängern, so könnte man beobachten, dass die Reaktionsgeschwindigkeit den Wert Null annimmt. Das ist ja auch logisch, denn wenn die gesamte Salzsäure im Erlenmeyerkolben verbraucht ist, entsteht auch kein neuer Wasserstoff mehr.		Welche Einheit hat dann die Reaktionsgeschwindigkeit? Auf der Y-Achse ist das Wasserstoffvolumen in ml eingetragen. Daraus kann man die Konzentration der Protonen in der Salzsäure berechnen. Die Einheit der Y-Achse wäre dann mol/l. Die Einheit der X-Achse ist die Minute. Die Reaktionsgeschwindigkeit ergibt sich, indem man die Konzentrationsänderung durch die verstrichene Zeit dividiert, man erhält also als Einheit: mol * l-1 * min-1.
Auswertung		Wie wir in dem Versuch gesehen haben, wird die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Zeit immer kleiner. Daraus könnte man jetzt den falschen Schluss ziehen, dass die Reaktionsgeschwindigkeit von der Zeit abhängt. Das ist sogar korrekt, lenkt aber vom Wesentlichen ab. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird nicht kleiner, weil die Zeit verstreicht, sondern weil die Salzsäure im Erlenmeyerkolben immer mehr Protonen verliert. Die Konzentration der Salzsäure wird immer kleiner. Wir wir bereits in unserem einfachen Versuch auf der letzten Seite festgestellt hatten, hängt die Geschwindigkeit einer Reaktion u.a. von der Konzentration der beteiligten Stoffe ab.
		Nächstes Kapitel: Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit