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Die '''Kinetik''' (von {{ELSalt|κίνησις}} ''kínesis'' „Bewegung“) dient in der [[Chemie]] dazu, den [[zeit]]lichen Ablauf [[Chemische Reaktion|chemischer Reaktionen]] bzw. chemisch-physikalischer Vorgänge zu untersuchen und [[Mathematik|mathematisch]] zu beschreiben.
[[Walter Cloos]]
 
== Reaktionsgeschwindigkeit ==
 
Die zentrale Größe der chemischen Kinetik ist die '''Reaktionsgeschwindigkeit''' <math>v</math>. Sie gibt an, welche [[Stoffmenge]] eines bestimmten [[Stoff]]es <math>\mathrm A</math> pro [[Zeiteinheit]] und [[Volumeneinheit]] umgesetzt wird, d.h. wie sich die [[Konzentration (Chemie)|Konzentration]] <math>c_{\mathrm A}</math> eines Stoffes mit der Zeit <math>t</math> ändert:
 
:<math>v_{\mathrm A} = \frac{dc_{\mathrm A}}{dt}</math>
 
Angegeben wird die Reaktionsgeschwindigkeit [[SI-konform]] in <math>\frac{mol}{s \cdot m^3}</math>, aus praktischen Gründen häufig auch in <math>\frac{mol}{s \cdot l}</math>.
 
Aufgrund der [[Massenerhaltung]] muss die Konzentration der [[Edukt|Ausgangsstoffe]] in dem Maß abnehmen, in dem die Konzentration der [[Endprodukt]]e zunimmt. Man betrachte dazu eine einfache Reaktion, bei der ein Stoff ohne Beteiligung weiterer Stoffe durch Strukturveränderung in einen Stoff verwandelt wird. Das geschieht beispielsweise, wenn [[roter Phosphor]] durch Erhitzen unter Luftabschluss in den leicht entzündlichen [[Gelber Phosphor|gelben Phosphor]] umgewandelt wird:
 
:<math>P_{rot} \longrightarrow P_{gelb}</math>
 
Dann gilt für die Reaktionsgeschwindigkeit <math>v_R</math>:
 
:<math>v_R = - \frac{dc_{\mathrm P_{rot}}}{dt} = \frac{dc_{\mathrm P_{gelb}}}{dt}</math>
 
Die Abnahme des Ausgangsstoffs <math>P_{rot}</math> wird dabei durch das negative Vorzeichen ausgedrückt.
 
Für eine komplexere Reaktion sind auch noch die [[stöchiometrisch]]en Koeffizienten zu berücksichtigen. So ergibt sich etwa für die Reaktion
 
:<math>a \mathrm{A} + b \mathrm{B} \longrightarrow c \mathrm{C} + d \mathrm{D} </math>
 
für die Geschwindigkeiten folgender Zusammenhang:
 
:<math>v_R = - \frac{1}{a} \frac{dc_{\mathrm{A}}}{dt} = - \frac{1}{b} \frac{dc_{\mathrm{B}}}{dt} = \frac{1}{c} \frac{dc_{\mathrm{C}}}{dt} = \frac{1}{d} \frac{dc_{\mathrm{D}}}{dt}</math>
 
== Reaktionsordnung ==
 
Die '''Reaktionsordnung''' gibt an ob und in welcher Form die Reaktionsgeschwindigkeit von der [[Konzentration (Chemie)|Konzentration]] der beteiligten Stoffe abhängt. Die Gesamtordnung ergibt sich aus der Summe der Reaktionsordnungen aller [[Reaktant]]en. Die Reaktionsordnung lässt sich im Allgemeinen nicht unmittelbar aus der [[Reaktionsgleichung]] ableiten, sondern muss [[Empirie|empirisch]] oder durch [[Modell]]annahmen über den Reaktionsverlauf bestimmt werden.
 
=== Reaktion nullter Ordnung ===
 
Bei einer '''Reaktion nullter Ordnung''' ist die Reaktionsgeschwindigkeit bei gleichbleibender Temperatur konstant (<math>k</math>) und hängt folglich nicht von der Konzentration ab. Das ist bei [[Photochemische Reaktion|photochemischen]] oder [[Katalyse|katalytischen]] Reaktionen der Fall. Es gilt daher:
 
:<math>v_{\mathrm A} = - \frac{dc_{\mathrm A}}{dt} = k</math>
 
=== Reaktion erster Ordnung ===
 
Bei einer '''Reaktion erster Ordnung''' ist die Reaktionsgeschwindigkeit linear abhängig von der Konzentration eines Ausgangsstoffes. Viele Zerfallsreaktionen verlaufen nach diesem Schema, beispielsweise auch der [[Radioaktivität|radioaktive Zerfall]] (dabei handelt es sich allerdings ''nicht'' um eine chemische Reaktion, sondern um einen [[Kernzerfall]]). Man betrachte die Reaktion
 
:<math>\mathrm A \longrightarrow \mathrm{B + C}</math>
 
Dann folgt daraus für die Reaktionsgeschwindigkeit <math>v_{\mathrm A}</math>:
 
:<math>v_{\mathrm A} = - \frac{dc_{\mathrm A}}{dt} = k \cdot c_{\mathrm A} \Rightarrow \frac{1}{c_{\mathrm A}} \cdot dc_{\mathrm A} = - k \cdot dt</math>
 
Die Konzentration <math>c_{\mathrm A}(t)</math> von <math>\mathrm A</math> zu einem bestimmten Zeitpunkt <math>t</math> ergibt sich daraus durch [[Integration]]. Mit der Anfangskonzentration <math>c_{\mathrm A}(0)</math> zum Zeitpunkt <math>t = 0</math> ergibt sich dann das [[Zerfallsgesetz|exponentielle Zerfallsgesetz]]:
 
:<math>\int_0^t  \frac{1}{c_{\mathrm A}} \cdot dc_{\mathrm A} = - \int_0^t k \cdot dt</math>
 
:<math>\mathrm ln \, c_{\mathrm A}(t) - \mathrm ln \,c_{\mathrm A}(0) = - k \cdot t</math>
 
:<math>\mathrm ln \, \frac{c_{\mathrm A}(t)}{c_{\mathrm A}(0)}  =  - k \cdot t</math>
 
{{Notiz|<math>c_{\mathrm A}(t) = c_{\mathrm A}(0) \cdot \mathrm e^{- k \cdot t} \qqad</math> [[Zerfallsgesetz]]}}
 
 
Ein typisches Beispiel für eine Reaktion erster Ordnung ist die durch [[Säuren]] [[Katalysator|katalysierte]] [[Eliminierung]] von [[Wasser]] (H<sub>2</sub>O) aus [[Ethanol]] (CH<sub>3</sub>CH<sub>2</sub>OH). Dabei bildet sich eine [[Doppelbindung]] aus und es entsteht [[Ethen]] (CH<sub>2</sub>=CH<sub>2</sub>):
 
<math>\mathrm {CH_3-CH_2-OH \xrightarrow{H^+} CH_2=CH_2 + H_2O}</math>
 
== Siehe auch ==
 
* {{WikipediaDE|Kinetik (Chemie)}}
 
[[Kategorie:Chemie]]

Aktuelle Version vom 11. August 2022, 12:00 Uhr

Walter Cloos

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