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Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen
Betrachten wir noch einmal die Reaktion zwischen Zink und Salzsäure:
Wir hatten gesehen, dass die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Salzsäure abhängt:
Es stellt sich nun die Frage, wie kann man die Reaktionsgeschwindigkeit genau messen, die Betonung auf "genau"?
Dazu muss man die oben abgebildete Apparatur eigentlich nur ein wenig verändern. Und zwar muss man die Apparatur so erweitern, dass man in der Lage ist, den entweichenden Wasserstoff aufzufangen, so dass man das Volumen des gebildeten Wasserstoffs ablesen kann.
Es gibt zwei Möglichkeiten, wie dies mit Schulmitteln erreicht werden kann. Entweder man schließt einen Kolbenprober an den Rundkolben an, oder man fängt den Wasserstoff pneumatisch auf (siehe Kasten rechts).
Hier sieht man die Kolbenprober-Variante. Der entstehende Wasserstoff drückt den Kolben des Kolbenprobers nach außen, und mithilfe der Skala kann man genau ablesen, wie viele cm3 H2-Gas zu einem gegebenem Zeitpunkt insgesamt gebildet worden sind.
| Pneumatisches Auffangen
Man stellt einen mit Wasser gefüllten Messzylinder mit der Öffnung nach unten in eine mit Wasser gefüllte Glasschüssel und leitet das aufzufangende Gas mit Glasrohren und/oder Gummischläuchen in den Messzylinder. Das Gas verdrängt dann das Wasser, und man kann das Volumen |
Jede Minute wird das Gasvolumen im Kolbenprober notiert, und aus diesen Werten wird dann ein V(t)-Diagramm erstellt: Das Volumen des Wasserstoffs wird gegen die Zeit aufgetragen. Eine solches Diagramm könnte so aussehen:
In der ersten Minute entsteht noch recht viel Wasserstoffgas, aber in den folgenden Minuten geht die Wasserstoffbildung immer stärker zurück, in der letzten Minute fangen wir vielleicht nur noch 2 oder 3 ml auf.
Man könnte nun für jede einzelne Minute ausrechnen, wie viel Wasserstoff in dieser Zeitspanne gebildet wurde. Am Anfang ist die Wasserstoffproduktion recht hoch, sie wird dann immer geringer. Am Ende des Versuchs, wenn entweder das Zink oder die Salzsäure aufgebraucht ist, entweicht überhaupt kein Wasserstoff mehr, und die Kurve steigt nicht mehr an.
Die Reaktionsgeschwindigkeit vR ist nichts anderes als ein Maß für die pro Zeiteinheit (Minute oder Sekunde) entstehende Stoffmenge eines Reaktionsprodukts wie Wasserstoff. Wenn wird die Reaktionsgeschwindigkeit gegen die Zeit darstellen wollen, müssen wir die erste Ableitung der V(t)-Kurve bilden. Mit einem Lineal ist das ganz einfach: Wollen wir die Reaktionsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt tx bestimmen, so zeichnen wir die Tangente an die entsprechende Stelle der V(t)-Kurve:
Die Steigung dieser Tangente ist dann nichts anderes als die Reaktionsgeschwindigkeit zur Zeit tx. Wenn wird dieses Verfahren für jeden Zeitpunkt wiederholen und die so ermittelten Reaktionsgeschwindigkeiten gegen die Zeit auftragen, erhalten wir eine andere Kurve (blau gezeichnet):
Wie man leicht sieht, nimmt die Geschwindigkeit der Reaktion immer mehr ab, sie nähert sich am Ende dem Wert Null. Woran das liegt, sollte jetzt klar sein: Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Konzentration der Ausgangsstoffe ab. Im Laufe der Reaktion werden die Ausgangsstoffe verbraucht, es entstehen ja schließlich die Reaktionsprodukte. Die Konzentration der Ausgangsstoffe wird also immer kleiner, daher wird auch die Reaktionsgeschwindigkeit immer kleiner.
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Durchschnittsgeschwindigkeit und Momentangeschwindigkeit
