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Messung

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Zink reagiert mit Salzsäure

Betrachten wir noch einmal die Reaktion zwischen Zink und Salzsäure:

Wir hatten gesehen, dass die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration der Salzsäure abhängt.

Es stellt sich nun die Frage, wie kann man die Reaktionsgeschwindigkeit genau messen, die Betonung liegt dabei auf "genau"?

Der Kolbenprober-Versuch

Dazu muss man die oben abgebildete Apparatur eigentlich nur ein wenig verändern. Und zwar muss man die Apparatur so erweitern, dass man in der Lage ist, den entweichenden Wasserstoff aufzufangen, so dass man das Volumen des gebildeten Wasserstoffs ablesen kann.

Es gibt zwei Möglichkeiten, wie dies mit Schulmitteln erreicht werden kann. Entweder man schließt einen Kolbenprober an den Rundkolben an, oder man fängt den Wasserstoff pneumatisch auf (siehe Kasten rechts).

Hier sieht man die Kolbenprober-Variante. Der entstehende Wasserstoff drückt den Kolben des Kolbenprobers nach außen, und mithilfe der Skala kann man genau ablesen, wie viele ml H2-Gas zu einem gegebenem Zeitpunkt insgesamt gebildet worden sind.

Die pneumatische Variante habe ich einmal im Unterricht ausprobiert. Wenn die Reaktion heftig verläuft, entstehen so viele Wasserstoff-Blasen, dass das Wasser in der pneumatischen Wanne und im Zylinder, in dem das Gas aufgefangen wird, sehr unruhig wird. Ein genaues Ablesen des aufgefangenen Volumens ist dann nicht mehr möglich. Daher verwende ich dieses Verfahren nicht mehr im Unterricht.

Bei der Kolbenprober-Variante muss man immer einen Schüler der Gruppe abstellen, dass er auf den Kolben achtet. Es kann bei besonders heftigen Reaktionen nämlich vorkommen, dass der Kolben nach hinten herausschießt. In meinem Unterricht ist das auch schon mal passiert; glücklicherweise hat sich niemand verletzt. Der Kolben war natürlich hin…

Eine gute Alternative, die Menge des entweichenden Gases zu bestimmen, ist einfach, den Kolben auf eine empfindliche Waage zu stellen. Das Gas hat ja nicht nur ein Volumen, sondern auch eine Masse.

Ermittlung der Reaktionsgeschwindigkeit

Ich habe im Mai 2011 den Versuch hochauflösend gefilmt und konnte so die Zunahme des Wasserstoff-Volumens im Kolbenprober detailliert aufzeichnen. Der fertige Film wurde dann genau analysiert; jede volle Sekunde wurden die Messwerte abgelesen und in eine Tabellenkalkulation (Excel) eingegeben. Hier die graphische Darstellung der Messwerte:

Man kann sehr schön eine Sättigungskurve erkennen; mit der Zeit entsteht pro Sekunde immer weniger Wasserstoff.

Stellt man nun die Differenzen dar (mathematisch die erste Ableitung der Sättigungskurve), so erhält man folgende Graphik:

Wenn wir diese Graphik, die auf echten Messwerten beruht und nicht wie in vielen Schulbüchern "geschönt" wurde, etwas bearbeiten (also ebenfalls "schönen"), so erhalten wir die endgültige Graphik:

Die blaue Kurve zeigt den Anstieg des Wasserstoff-Volumens, und die rote Kurve zeigt die erste Ableitung dieser Kurve. Und diese erste Ableitung ist nichts anderes als die Reaktionsgeschwindigkeit der H2-Bildung!

Reaktionsgeschwindigkeit

Die Reaktionsgeschwindigkeit vR ist ein Maß für die pro Zeiteinheit (Minute oder Sekunde) entstehende Stoffmenge eines Reaktionsprodukts.

Wie man leicht sieht, nimmt die Geschwindigkeit der Reaktion immer mehr ab, sie nähert sich am Ende dem Wert Null. Das ist ja auch logisch: Von der Salzsäure wird im Laufe der Reaktion immer mehr verbraucht, bis schließlich nichts mehr da ist. Und wenn keine HCl mehr im Erlenmeyerkolben vorhanden ist, kann auch kein Wasserstoff entstehen - die Reaktionsgeschwindigkeit der H2-Bildung ist dann Null.