Das Fach Kinetik im Rahmen der Physikalischen Chemie

Neben der Thermodynamik ist die Kinetik der zweite große Bereich der Physikalischen Chemie. Das Fachgebiet Kinetik beschäftigt sich mit dem zeitlichen Ablauf chemischer Reaktionen, dazu gehören auch physikalisch chemische Vorgänge wie z. B. Diffusion. Mithilfe der Kinetik kann ausgesagt werden, ob eine Reaktion auch mit beobachtbarer Geschwindigkeit abläuft.

Das Fachgebiet Kinetik

Die grundlegende Größe ist die Reaktionsgeschwindigkeit. Sie gibt dabei an, wie viele Teilchen pro Zeit in einer chemischen Reaktion umgesetzt werden. Anhand nachfolgender Skizze beim Ablauf der Reaktion A <=> B soll gezeigt werden, wo das Fach Kinetik “zuständig” ist und wo das Fach “Thermodynamik”.

Kinetik

  • Die Thermodynamik beschäftigt sich mit Prozessen im chemischem Gleichgewicht
  • Die Kinetik beschäftigt sich mit dem zeitlichen Verlauf von Stoffumwandlungen

Da die Kinetik nicht nur die Bildung des Reaktionsprodukts ermittelt, sondern auch Rückschlüsse auf der Mechanismus der Reaktion gibt, hat dieser Fachbereich enorme wirtschaftliche Bedeutung. Zum einen muss die Wirtschaftlichkeit einer chemischen Reaktin betrachtet werden (welche Ausbeute ist in welcher Zeit möglich?). Zum anderen muss jede Umsetzung im industriellen Maßstab optimiert werden. Die Kenntnis der Reaktionsmechanismus dient zu ermitteln, an welcher Stelle “die Reaktion” optimiert werden kann (z.B. Überschuss eines Ausgangsstoffes)

Siehe dazu: Reaktionsgeschwindigkeit in der Chemie

Wichtige Größen in der Thermodynamik

  • Das Fach Kinetik untersucht den zeitlichen Verlauf einer chemischer Reaktionen, daher ist die Reaktionsgeschwindigkeit die zentrale Größe in der Kinetik.
  • Wichtige (weitere) Größen in der Kinetik sind dabei die Temperatur T, die Konzentration c, sowie die sog. Reaktionsordnung bzw. die Molekularität einer Reaktion

Das Fach Kinetik im Rahmen der Physikalischen Chemie – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist die grundlegende Definition der Kinetik in der Physikalischen Chemie?

Die Kinetik in der Physikalischen Chemie ist das Studium und die Analyse der Geschwindigkeit, mit der chemische Reaktionen ablaufen und der Faktoren, die diese Geschwindigkeiten beeinflussen. Dies beinhaltet das Verständnis der Mechanismen der chemischen Reaktionen.

2. Nennen Sie drei Faktoren, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen.

Drei Faktoren, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflussen, sind: die Konzentration der Reaktanden, die Temperatur und der Katalysator.

3. Was ist der Unterschied zwischen einer reversiblen und einer irreversiblen chemischen Reaktion in Bezug auf die Kinetik?

Eine reversible chemische Reaktion ist eine Reaktion, die in beide Richtungen ablaufen kann, während eine irreversible Reaktion nur in eine Richtung abläuft. Dies hat Auswirkungen auf die Kinetik der Reaktion, insbesondere auf die Geschwindigkeit und den Gleichgewichtszustand der Reaktion.

4. Was versteht man unter Reaktionsordnung und wie wirkt sie sich auf die Reaktionsgeschwindigkeit aus?

Die Reaktionsordnung ist ein Begriff, der angibt, wie die Reaktionsgeschwindigkeit durch die Konzentration der Reaktanden beeinflusst wird. Sie bestimmt die Geschwindigkeitsgesetze einer chemischen Reaktion und kann eins, zwei oder null sein, abhängig davon, wie stark die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Reaktanden abhängig ist.

5. Was ist der Unterschied zwischen einer elementaren und einer nicht-elementaren Reaktion in Bezug auf die Kinetik?

Eine elementare Reaktion ist eine Reaktion, die in einem einzigen Schritt abläuft, während eine nicht-elementare Reaktion in mehreren Schritten abläuft. Die Kinetik dieser Reaktionen unterscheidet sich, da sie abhängig von der Anzahl der Schritte und den Zwischenprodukten im Reaktionsmechanismus ist.

6. Erklären Sie, was ein Aktivierungsenergie einer Reaktion ist und wie sie sich auf die Reaktionsgeschwindigkeit auswirkt.

Die Aktivierungsenergie ist die Menge an Energie, die benötigt wird, um eine chemische Reaktion zu starten. Sie beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit, indem sie die Schwelle darstellt, die überschritten werden muss, um die Reaktion zu starten. Je höher die Aktivierungsenergie, desto langsamer ist die Reaktion, da weniger Moleküle genügend Energie haben, um die Reaktion zu starten.

7. Was ist ein Ratenkoeffizient?

Ein Ratenkoeffizient ist eine Konstante, die in der Gleichung zur Berechnung der Reaktionsrate erscheint. Sie ist abhängig von der Temperatur und der Aktivierungsenergie und kann bei kenntnis des Arrhenius-Gleichung berechnet werden.

8. Was besagt die Arrhenius-Gleichung über die Reaktionskinetik?

Die Arrhenius-Gleichung zeigt die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante. Sie besagt, dass die Geschwindigkeitskonstante einer Reaktion mit steigender Temperatur zunimmt, da mehr Moleküle genügend Energie haben, um die Aktivierungsenergiebarriere zu überwinden.

9. Was ist der Zusammenhang zwischen der Kinetik und dem Gleichgewicht in chemischen Reaktionen?

Die Kinetik und das Gleichgewicht in chemischen Reaktionen sind eng miteinander verbunden. Die Geschwindigkeit einer Reaktion bestimmt, wie schnell ein chemisches Gleichgewicht erreicht wird, während die Position des Gleichgewichts von der relativen Geschwindigkeit der vorwärts und rückwärts ablaufenden Reaktionen bestimmt wird.

10. Was ist der Unterschied zwischen einer kinetischen und einer thermodynamischen Kontrolle einer chemischen Reaktion?

Unter kinetischer Kontrolle ist die Geschwindigkeit der Reaktion der bestimmende Faktor für das Produktergebnis, während unter thermodynamischer Kontrolle die Stabilität der Produkte den Ausgang der Reaktion bestimmt. Aus kinetischer Sicht wird das Produkt mit der schnelleren Reaktionsrate bevorzugt, während aus thermodynamischer Sicht das stabilere oder energetisch günstigere Produkt bevorzugt wird.

Autor: , Letzte Aktualisierung: 27. Juli 2023