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Konzentrationsabhängigkeit

Geschwindigkeit - Faktoren - Messung - Konzentration - VD - VM - Methoden - Thiosulfat - Reaktionsordnung - Temperatur

Zielsetzung

Wir wollen nun untersuchen, wie die Geschwindigkeit der H2-Bildung von der Konzentration der Salzsäure abhängt. Dazu gibt es zwei mögliche experimentelle Vorgehensweisen, die sich auch mit Schulmitteln realisieren lassen. Zunächst stelle ich Ihnen die beiden Möglichkeiten vor, dann wenden wir eine der beiden Methoden an.

Methode 1

Der bereits bekannte Kolbenprober-Versuch

Wir führen wieder den Kolbenprober-Versuch durch, den wir bereits kennengelernt haben. Allerdings nicht einmal, sondern fünf- oder sechsmal mit jeweils unterschiedlichen Konzentrationen, zum Beispiel 0,05 mol/l - 0,1 mol/l - 0,2 mol/l - 0,5 mol/l - 1 mol/l und 2 mol/l.

Wir messen dann bei jedem Versuchsdurchgang, wie viel Wasserstoff innerhalb der ersten zehn Sekunden der Reaktion entsteht.

Kritik: Diese Methode ist einerseits sehr materialaufwendig (fünf bis sechs Kolbenprober werden gleichzeitig gebraucht) oder sehr zeitaufwendig (wenn man nicht so viele Kolbenprober zur Verfügung hat, müssen fünf oder sechs Messungen nacheinander durchgeführt werden).

Andererseits liefert diese material/zeitaufwendige Methode recht gute Ergebnisse, und ein weiterer Pluspunkt für diese Methode: Man kennt stets die Konzentration der Salzsäure für jeden Teilversuch, was bei der zweiten Methode (siehe unten) leider nicht der Fall ist.

Fazit: Eigentlich ist diese Methode gar nicht mal so schlecht, ich glaube, ich werde sie im nächsten Kurs einfach mal anwenden (bisher hatte ich immer die Methode 2 gewählt).

Methode 2

Wir benötigen einen Kolbenprober, der absolut sauber arbeitet, bei dem der Kolben also nicht "hakelt", während er sich herausschiebt. Dann nehmen wir Salzsäure der Konzentration 1 mol/l und filmen den Kolbenprober mit unseren Smartphones. Digitalisierung soll in Zukunft ja viel mehr Einzug in die Schulen halten als bisher; hier hätten wir ein schönes Beispiel für eine solche Digitalisierung. Der Versuch wird abgebrochen, wenn sich der Kolben nicht mehr nennenswert bewegt.

Kritik: Bei dieser Methode reicht ein Durchgang des Versuchs völlig aus, sie ist weder geräte- noch zeitaufwändig. Allerdings muss der Versuch mit dem Kolbenprober sehr sorgfältig durchgeführt werden, und die Messdaten müssen lückenlos protokolliert werden. Da aber inzwischen jeder Schüler ein Smartphone mit Videofunktion besitzt, sollte das kein Problem sein.

Fazit: Die Methode ist sehr einfach durchzuführen, aber wie wir noch sehen werden, sind die Ergebnisse nicht so ganz einfach auszuwerten.

Ergebnisse

Methode 1

Hier bekommt man sehr schnell heraus, dass die Reaktionsgeschwindigkeit linear mit der Konzentration der Salzsäure zunimmt - im Idealfall nach der Formel

V(H2)10s = k * c(HCl)

Mit dem Ausdruck auf der linken Seite der Formel ist das in den ersten 10 Sekunden gebildete Wasserstoff-Volumen gemeint, das quasi ein Maß für die Reaktionsgeschwindigkeit ist. Wenn man dieses Volumen kennt, kann man damit auch die Stoffmenge an Wasserstoff berechnen, die sich gebildet hat, und wenn man diese Stoffmenge durch die Zeit (10 Sekunden) teilt, erhält man die Durchschnittsgeschwindigkeit während der ersten 10 Sekunden. Diese Durchschnittsgeschwindigkeit ist der Konzentration c(HCl) proportional, und die Konstante k ist die sogenannte Geschwindigkeitskonstante.

Methode 2

Wenn man die Bewegung des Kolbens filmt und dann das Video auswertet, kann man eine Tabelle bzw. eine Graphik anfertigen, die vielleicht so aussieht:

Graphische Darstellung der Zunahme von V(H2) gegen die Zeit: eine Sättigungskurve

Graphische Darstellung der Zunahme von V(H2) gegen die Zeit. Waagerechte Achse: Zeit in Sekunden; senkrechte Achse: V(H2) in ml.

Im Laufe der Zeit wird pro Zeiteinheit immer weniger Wasserstoff gebildet, bis schließlich das Volumen im Kolbenprober gar nicht mehr zunimmt. Man sieht also sofort, dass die Reaktionsgeschwindigkeit als erste Ableitung der Volumenzunahme immer kleiner wird und gegen den Wert Null strebt.

Das Problem bei dieser Methode ist jetzt, wie entnimmt man der Graphik die Reaktionsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt t? Und noch schlimmer: Wie ermittelt man die jeweilige Konzentration der Salzsäure zum Zeitpunkt t?. Erst wenn man beides gemacht hat, und zwar für möglichst viele Zeitpunkte, kann man die Reaktionsgeschwindigkeit in Bezug zur jeweiligen Konzentration der Salzsäure setzen.

Auf einer Spezialseite habe ich dieses Verfahren ausführlich dargelegt.