4.3 Reaktionsgeschwindigkeit und Katalysator

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1 4.3 Reaktionsgeschwindigkeit und Katalysator Neben der thermodynamischen Lage des chemischen Gleichgewichts ist der zeitliche Ablauf der Reaktion, also die Geschwindigkeit der Einstellung des Gleichgewichts, von Bedeutung. a A + b B c C + d D Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit von Hinund Rückreaktion durch - Erhöhung der Temperatur 1) - Zunahme der Konzentration - Einsatz eines Katalysators 1) Auswirkungen auf Gleichgewichtslage und Reaktionsgeschwindigkeit!

2 A + B C X + Y Z Energie (A + B)* I Energie (X + Y)* II Z A + B U E a (hin) E a (rück) E a (hin) X + Y E a (rück) U C Reaktionsweg Reaktionsweg

3 Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit (Svante Arrhenius, 1889) Arrhenius-Gleichung k = A e Ea RT k = Geschwindigkeitskonstante A = reaktionsabhängige Konstante E a = Aktivierungsenergie (kj/mol) R = ideale Gaskonstante (8,3145 J/mol K) T = absolute Temperatur (K) Eine kleine Änderung der Temperatur bedingt eine relativ große Änderung der Reaktionsgeschwindigkeit (von Hin- und Rückreaktion). Ursache: k ist exponentiell von T abhängig Faustregel Eine Temperaturerhöhung um 10 K bewirkt eine Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit um das Zwei- bis Vierfache. Der Effekt ist bei niedrigen Temperaturen sowie bei höherer Aktivierungsenergie größer.

4 k = A e Ea RT k ist exponentiell von T abhängig 1 k ~ e T ~ 1 1 et 1 T steigt e T wird kleiner 1 1 bzw. k wird größer et

5 In welchem Umfang steigt die Reaktionsgeschwindigkeit einer chemischen Reaktion, wenn folgende Werte gegeben sind: E a = 60 kj/mol (60 kj/mol < E a < 250 kj/mol) R = 8,3145 J/K mol T 1 = 273,15 K (0 C) T 2 = 283,15 K (10 C) T = 10 K A = Temperaturabhängigkeit vernachlässigbar gering k 3 Ea J/ mol RT1 8,3145J/ K mol 273,15K 1 = A e = A e 26,4 k1 = A e = A 3,36 10 k J/ mol 8,3145J/ K mol 283,15K 2 = A e 25,5 k2 = A e = A 8,54 10 k 2 /k 1 = 2,5 12 Bei Erhöhung der Temperatur von 0 C auf 10 C steigt die Reaktionsgeschwindigkeit um das 2,5fache!

6 T 3 = 373,15 K (100 C) T 4 = 383,15 K (110 C) T = 10 K k 3 = A 3, k 4 = A 6, k 4 /k 3 = 1,7 Bei Erhöhung der Temperatur von 100 C auf 110 C steigt die Reaktionsgeschwindigkeit um das 1,7fache. Der Temperatureffekt ist bei niedrigen Temperaturen größer! Ebenso gilt: Der Temperatureffekt ist bei höherer E a größer!

7 Katalysatorwirkung kein Einfluss auf K c Ein Katalysator erhöht nur die Geschwindigkeit, mit der sich das Gleichgewicht einstellt. Er verändert nicht die Lage des chemischen Gleichgewichts. Am Ende der Reaktion liegt er chemisch unverändert vor. - Homogene Katalyse Katalysator und Ausgangsstoffe in gleicher Phase - Heterogene Katalyse Katalysator und Ausgangsstoffe in unterschiedlichen Phasen

8 A + B C Energie (A + B) * ohne Katalysator E a A + B E a1 U mit Katalysator C Reaktionsweg Mit Katalysator erhebliche Absenkung von E a durch veränderten Reaktionsmechanismus

9 Verbrennung von Wasserstoff in Gegenwart eines Katalysators 2 H 2 + O 2 2 H 2 O (g) H = kj/mol Gleichgewicht liegt vollständig rechts, aber Reaktionsgeschwindigkeit unmessbar klein keine Aussage zum Reaktionsmechanismus Energie Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Temperaturerhöhung E a1 H H 2 H H 2, O 2 U E a2 H 2 O Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit durch Einsatz eines Katalysators

10 Reaktionsmechanismus verzweigte radikalische Kettenreaktion H H(g) 2 H (g) H = kj/mol O O(g) 2 O (g) H = kj/mol H 2 E 2 H Kettenstart H + O 2 OH + O Kettenverzweigung OH + H 2 H 2 O + H Kettenfortpflanzung O + H 2 OH + H OH + H H 2 O Kettenabbruch

11 Katalytische Wirkung von Platin (Johann Wolfgang Döbereiner, 1823) H 2 O 2 H 2 H 2 O H 2 O 2 H 2 O H H H H O O Pt Pt H H O O H H Pt H H O=O H H Pt 2 H 2 + O 2

12 Döbereiner Feuerzeug, 1823

13 Drei-Wege-Katalysator in Otto-Motoren - wabenartig aufgebaut, mit feinen Kanälen durchzogen, mit keramischem Träger (Al 2 O 3 ) - große Oberfläche für das katalytische Material (Platin, Rhodium, Palladium) - Reduzierung von KW, CO und NO X um ca. 90 % - nur eingeschränkte Funktion während der Aufwärmzeit bei Kaltstart und bei Fahrten mit hoher Geschwindigkeit Hauptreaktionen im Drei-Wege-Katalysator CO + ½ O 2 CO 2 NO + CO CO 2 + ½ N 2 C 8 H ,5 O 2 8 CO H 2 O

14 Ausbeute von Gleichgewichtsreaktionen N 2 (g) + 3 H 2 (g) exotherm endotherm 2 NH 3 (g) Hohe Ausbeute an NH 3 theoretisch bei: - niedriger Temperatur ( H = - 92 kj/mol) - hohem Druck ( n = - 2) Typische Reaktionsbedingungen in der Praxis: C! bar - Katalysator Fe 3 O 4 (95 %), K 2 O, Al 2 O 3 (heterogene Katalyse) - ständige Entfernung von NH 3 aus Gleichgewicht Betriebsbedingungen