Skript - Uni Kassel

Universität Kassel, Grundpraktikum Physikalische Chemie
Studiengänge Nanostrukturwissenschaft, Lehramt Chemie, Diplom Biologie
Versuch 5
Chemische Kinetik
Themenbereiche
Formale Reaktionskinetik (Reaktionsordnung, Reaktionsteilordnung, Geschwindigkeitskonstante, Konzentrations-Zeit-Gesetze für Reaktionen verschiedener Ordnung in differentieller und integrierter Form, Pseudoordnung und Pseudogeschwindigkeitskonstante, nicht
elementare Reaktionen: Gleichgewichts-, Parallel- und Folgereaktionen, geschwindigkeitsbestimmender Schritt bei Folgereaktionen); Molekularität einer Elementarreaktion, Temperaturabhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit;
Lichtabsorption (Lambert-Beer’sches Gesetz), Funktionsprinzip eines Zweistrahl-Absorptionsspektrometers.
Aufgabe
Bestimmen Sie die Pseudogeschwindigkeitskonstante für die Bildung der sogenannten Leukobase aus Kristallviolett und überschüssiger Natronlauge.
Messprinzip
Eines der Edukte ist ein stark farbiger Stoff, während sein Reaktionspartner und die Produkte
im Sichtbaren nicht absorbieren. Der Fortgang der Reaktion kann daher bequem photometrisch durch Messung der Absorption bei fester Wellenlänge in Abhängigkeit von der Zeit verfolgt werden, wobei das Lambert-Beer’sche Gesetz den Zusammenhang zwischen Absorption
und Konzentration vermittelt.
Versuchsdurchführung
a) Nehmen Sie ein Übersichtsspektrum des Farbstoffs im Spektralbereich 400 – 700 nm
auf. Bestimmen Sie den Extinktionskoeffizienten im Absorptionsmaximum. Die weiteren Messungen erfolgen bei fester Wellenlänge im Absorptionsmaximum.
b) Ermitteln Sie durch Vergleich der Anfangsgeschwindigkeiten in zwei Reaktionsmischungen, die sich anfänglich nur in der Konzentration der Natronlauge unterscheiden,
ob die Teilordnung der Reaktion bezüglich der Natronlauge eins oder zwei ist.
c) Ermitteln Sie auf analoge Weise durch Vergleich der Anfangsgeschwindigkeiten in
zwei Reaktionsmischungen, die sich anfänglich nur in der Konzentration des Farbstoffs unterscheiden, ob die Teilordnung der Reaktion bezüglich des Farbstoffs eins
oder zwei ist.
d) Ermitteln Sie die Pseudogeschwindigkeitskonstante, indem Sie das für den vorliegenden Fall gültige Konzentrations-Zeit-Gesetz integrieren, die Farbstoff-Konzentrationen durch die gemessenen Absorptionen ausdrücken, den resultierenden AusVersuch 5
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druck auf lineare Form transformieren und eine entsprechende grafische Auftragung
der Absorptions-Zeit-Daten auswerten.
e) Berechnen Sie die Ordnung und die Geschwindigkeitskonstante der Reaktion.
Experimentelle Details
Die Reaktionsgemische werden aus den zur Verfügung stehenden Stammlösungen nach
folgendem Schema hergestellt:



Reaktionsgemisch (A+B)+(C+C+C) zur Bestimmung der Anfangsgeschwindigkeit;
Reaktionsgemisch (A+A+B)+(C+C) zur Bestimmung der Anfangsgeschwindigkeit;
Reaktionsgemisch (A+B+B)+(C+C) zur Bestimmung der Anfangsgeschwindigkeit und
der Veränderung des Farbstoffkonzentration über längere Zeit
Dabei haben die Symbole folgende Bedeutung: A ein Volumteil Wasser, B ein Volumteil Natronlauge bestimmter Konzentration (z.B. 1.0*10-2 mol/l), C ein Volumteil Kristallviolett-Lösung bestimmter Konzentration (z.B. 2.0*10-5 mol/l). Die innerhalb eines Klammerpaars
stehenden Volumenteile können selbstverständlich vor dem Start der Reaktion zusammengebracht werden.
Zum analytisch genauen Ansetzen der Lösungen werden Messkolben und Vollpipetten
verwendet! Das Mischen der in Bechergläsern getrennt vorbereiteten Natronlauge und der
Farbstoff-Lösung (beide genau bekannter Konzentration) erfolgt schnell und gründlich am
besten so, dass man unter Rühren die Natronlauge in die Farbstofflösung gibt (wieso nicht
umgekehrt?) und dann mehrmals die beiden Bechergläser ineinander umschüttet. Gleichzeitig
wird der Schreiber gestartet. Füllen Sie das Gemisch ohne Luftblasen in die saubere und trockene Küvette und bringen Sie schließlich die abgedeckte Küvette in den Strahlengang des
Spektrometers.
Es ist wichtig, dass während der Messung die Temperatur der reagierenden Mischung zeitlich
konstant und, zur Vermeidung von Schlierenbildung, überall in der Küvette gleich ist.
Vergessen Sie bei der Auswertung nicht, dass durch das Mischen der Reaktionspartner die
vorbereiteten Lösungen verdünnt werden.
Fragen
•
Beschreiben Sie Aufbau und Funktionsprinzip eines Zweistrahl-Absorptionsspektrometers.
•
Erklären Sie die Funktionsweise von Farb- und Interferenzfiltern.
•
Leiten Sie das Lambert-Beer’sche Gesetz her.
•
Was versteht man unter optischer Dichte?
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•
Wie ist die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion definiert? Zeigen Sie an
einem Beispiel, wie man vom (differentiellen) Geschwindigkeitsgesetz durch Integration zum Konzentrations-Zeit-Gesetz kommt.
•
Was ist eine Elementarreaktion?
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Grenzen Sie die Begriffe Ordnung und Molekularität einer chemischen Reaktion klar
gegeneinander ab. Hat jede chemische Reaktion eine Molekularität und Ordnung? Wie
bestimmt man eine Reaktionsordnung experimentell?
•
Was versteht man unter der Teilordnung eines Reaktionspartners? Gibt es Reaktionen
mit der Teilordnung null eines Reaktionspartners?
•
Was versteht man unter Pseudoordnung und Pseudogeschwindigkeitskonstante? Welche Information braucht man, um eine Pseudogeschwindigkeitskonstante in die wahre
Geschwindigkeitskonstante umzurechnen?
•
Was versteht man unter dem Begriff Reaktionsmechanismus?
•
Erläutern Sie das Quasistationaritätsprinzip und dessen Anwendungen.
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Definieren Sie die Halbwertszeit einer chemischen Reaktion. Welche Besonderheit hat
diese Größe bei Reaktionen erster Ordnung? Wie hängt die Halbwertszeit für Reaktionen erster und zweiter Ordnung mit den Geschwindigkeitskonstanten dieser Reaktionen zusammen?
•
Was ist Katalyse? Grenzen Sie homogene und heterogene Katalyse gegeneinander ab.
Wie äußert sich Katalyse im Geschwindigkeitsgesetz? Was sind autokatalytische Reaktionen?
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Kann ein Katalysator die Lage des Gleichgewichts in einer chemischen Reaktion beeinflussen? Erklären Sie, wieso ein Katalysator, der die Vorwärtsreaktion einer
Gleichgewichtsreaktion beschleunigt, das gleiche für die Rückreaktion tun muss.
•
Wie hängt eine Geschwindigkeitskonstante typischerweise von der Temperatur ab?
Wie kann man die Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion bestimmen?
•
Was sind diffusionsbestimmte Reaktionen? Wie kann man sie experimentell als solche
erkennen?
•
Gibt es Reaktionen mit negativer Aktivierungsenergie, deren Reaktionsgeschwindigkeit sich also mit zunehmender Temperatur verringert?
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Erklären Sie den Michaelis-Menten-Mechanismus und wie man die sogenannte Michaelis-Konstante experimentell bestimmt.
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•
Bei manchen Gasreaktionen ist die Reaktionsordnung druckabhängig und steigt bei
Druckverminderung vom Wert eins in der Nähe des Atmosphärendrucks auf den Wert
zwei bei sehr geringen Drucken. Erklären Sie diesen sogenannten Lindemann-Mechanismus.
Sicherheitshinweise
zum Grundpraktikumsversuch "Chemische Kinetik"
Grundsätzliches
Informieren Sie sich an den im Praktikumsraum aushängenden Tafeln über die Bedeutung der Gefahrensymbole!
Lesen Sie die Ausführungen auf diesen Tafeln zu den in diesem Skript aufgeführten
Gefahrstoffen bezüglich der R-Sätze (Gefahrenhinweise) und S-Sätze (Sicherheitsratschläge).
Wichtiger Hinweis
Tragen Sie beim Umgang mit Natriumhydroxid und Natronlauge, wie
immer beim chemischen Experimentieren, eine Schutzbrille! Hautkontakt mit Farbstoffen grundsätzlich vermeiden!
In diesem Praktikumsversuch benutzte Gefahrstoffe
Natronlauge
R 35
S 2-26-27-37/39
Kristallviolett
(als Trockensubstanz)
R 22-41
S 22-26
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