Ziel des Versuchs: In diesem Versuch wird der Einfluss der Konzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit behandelt.
| Thema: Messung der Reaktionsgeschwindigkeit und Katalyse | Tags: Reaktionsgeschwindigkeit | Klassenstufen: 11-12 | Versuchsart: LV |
Materialien
3 Stative mit Stativklemmen, Kolbenprober, kurzer Schlauch, Schlauchklemmen, 5 mL Spritze mit Kanüle, Reagenzglas mit seitlichem Abgang, Stoppuhr, Septum
Chemikalien
salzsaure Lösungen (c = 2 m, 1 m, 0.1 m), Magnesiumpulver
| Gefahrstoff | H-Sätze | P-Sätze | GHS |
|---|---|---|---|
| Magnesium | H228-H261-H252 | -- |  |
| Salzsäure 0,1 M | H290 | -- |  |
| Salzsäure 0,1 M | H290 | -- | |
| Salzsäure 1 M | H290-H315-H319-H335 | P261-P305+P351+P338 |  |
| Salzsäure konz. | H314-H335 | -- | |
Durchführung
Die Apparatur wird wie in Abbildung 2 aufgebaut. Wichtig ist hierbei, dass der Kolbenprober nicht eingespannt wird, sondern nur auf den Stativklemmen aufliegt!
In das Reagenzglas mit Abgang wird eine Spatelspitze Magnesiumpulver gegeben und das Reagenzglas wiederverschlossen. Die Spritze wird mit 3 mL 0.1 m salzsauren Lösung befüllt und durch das Septum geführt. Der Kolbenprober wurde zuvor auf ein Volumen von 0 mL eingestellt. Sobald durch die Spritze die salzsaure Lösung in das Reagenzglas getropft wird, wird die Zeit gemessen und sobald ein Volumen von 10 mL erreicht ist, die Zeit gestoppt. Der Versuch wird auch mit den salzsauren Lösungen der Konzentrationen von 1 m und 2 m durchgeführt.
Beobachtung
Sobald die salzsaure Lösung auf das Magnesiumpulver tropft, ist eine Reaktion zu beobachten und der Stopfen des Kolbenprobers wird herausgedrückt. Die Messergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1: Messergebnisse des Versuchs.
| Konzentration | Zeit | |
|---|---|---|
| Messung 1 | 0,1 | 4.07 |
| Messung 2 | 1 | 0.9 |
| Messung 3 | 2 | 0.35 |
Deutung
Die salzsaure Lösung reagiert mit Magnesium unter anderem zu Wasserstoff-Gas, welches den Stopfen des Kolbenprobers herausdrückt.
Um die Reaktionsgeschwindigkeit zu berechnen, muss zuerst die Stoffmenge des entstandenen Wasserstoff-Gases bei einem Volumen von 10 mL ermittelt werden. Hierfür wird die Annahme gemacht, dass es sich um ein ideales Gas handelt und somit das ideale Gasgesetz angewendet werden kann.
Nach Umformung ergibt sich:
Für das Volumen werden 10 mL eingesetzt, für die Temperatur und den Druck werden die Werte der Standardbedingungen angenommen, da im Labor annähernd 25°C und ein Druck von 1 bar vorherrschten. R beschreibt die universelle Gaskonstante.
Des Weiteren muss die Konzentration der Protonen berechnet werden. Dies erfolgt über die Formel:
Hierbei muss die doppelte Stoffmenge an Wasserstoff-Gas genommen werden, da doppelt so viele Protonen benötigt werden, um ein Wasserstoff-Gas-Molekül zu bilden.
Die Reaktionsgeschwindigkeiten für die verschiedenen salzsauren Lösungen lassen sich über folgende Formel berechnen:
Für die einzelnen Konzentrationen ergeben sich demnach folgende Reaktionsgeschwindigkeiten:
Tabelle 2: Die Reaktionsgeschwindigkeiten der einzelnen Messungen.
| Messung | Reaktionsgeschwindigkeit |
|---|---|
| 1 | 0.065 |
| 2 | 0.296 |
| 3 | 0,762 |
Die Konzentrationen werden nun gegen die Reaktionsgeschwindigkeit aufgetragen um den Geschwindigkeitskoeffizienten k aus dem Geschwindigkeitsgesetzt der Reaktion zu ermitteln.
Der Geschwindigkeitskoeffizient ist die Steigung der Geraden und beträgt: . Der Geschwindigkeitskoeffizient hängt von der Temperatur und von der Substanz ab auf welche sich der Geschwindigkeitskoeffizient bezieht und wird auch als Proportionalitätskonstante bezeichnet.
Aus einer weiteren Auftragung lässt sich ebenfalls die Reaktionsordnung ermitteln. Hierbei muss die Zeit gegen den natürlichen Logarithmus der Konzentration durch die Anfangskonzentration dividiert werden.
Tabelle 3: Werte des natürlichen Logarithmus der Konzentration geteilt durch die Anfangskonzentration bei den Messwerten.
| ln [c/c0] | Zeit t [s] |
|---|---|
| 0.982 | 4.07 |
| -1.320 | 0.9 |
| -2.013 | 0.35 |
Die Auftragung der Daten ergibt eine Gerade, woraus sich schließen lässt, dass es sich um eine Reaktion erster Ordnung handeln muss. Bei Reaktionen erster Ordnung ist die Reaktionsgeschwindigkeit nur von der Konzentration eines Ausgangsstoffes abhängig.
Entsorgung
Die Lösungen werden im Abfallbehälter für Schwermetalle entsorgt.
Anmerkungen & Unterrichtsanschlüsse: Dieser Versuch eignet sich im Schulunterricht, um den SuS den Einfluss der Konzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit zu demonstrieren. Alternativ kann in diesem Versuch auch der Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit demonstriert werden, wenn die Konzentration der salzsauren Lösung konstant gehalten wird und die Temperatur geändert wird. Die Auswertung des Versuchs kann je nach Niveau der SuS angepasst werden. So kann beispielsweise bei einer Klassenstufe auf erhöhtem Anforderungsniveau die Reaktionsgeschwindigkeit, Reaktionsordnung und der Geschwindigkeitskoeffizient bestimmt werden. Bei einer Klassenstufe auf grundlegendes Anforderungsniveau kann auf die Bestimmung der Reaktionsordnung und des Geschwindigkeitskoeffizienten verzichtet werden und nur die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt werden. Der Versuch eignet sich sowohl als Lehrerdemonstrationsexperiment, als auch als Schülerexperiment in Form eines Erarbeitungsexperiments.
Literatur
[1] H. Keune, H. Böhland, Chemische Schulexperimente – Band 3: Allgemeine, physikalische und analytische Chemie, Chemie und Umwelt, Volk und Wissen Verlag, 1. Auflage, 2001, S. 88f.
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