Temperaturabhängigkeit und Arrhenius-Gleichung
Wie Temperatur und Aktivierungsenergie die Geschwindigkeitskonstante bestimmen und warum Wärme Hin- und Rückreaktion verschieden stark beschleunigt.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Arrhenius-Gleichung \(k = A \cdot e^{-E_A/(RT)}\) beschreibt, wie die Geschwindigkeitskonstante von Temperatur und Aktivierungsenergie abhängt.
- Höhere Temperatur vergrößert \(k\) und damit die Reaktionsgeschwindigkeit.
- Größere Aktivierungsenergie oder Aktivierungsenthalpie eines Schritts bedeutet kleineres \(k\).
- \(k\) hängt von der Barriere ab, nicht von der freien Enthalpie des Produkts.
- Temperaturerhöhung beschleunigt Hin- und Rückreaktion unterschiedlich stark, die Richtung mit höherer Barriere stärker.
Worum es geht
Fast jede Reaktion läuft in der Wärme schneller ab. Die Arrhenius-Gleichung fasst das in eine Formel. Deshalb verlangsamt Kühllagerung die Zersetzung vieler Arzneistoffe.
Arrhenius-Gleichung
Die Arrhenius-Gleichung verknüpft die Geschwindigkeitskonstante \(k\) mit der Aktivierungsenergie \(E_A\) und der Temperatur \(T\).
\[k = A \cdot e^{-E_A/(RT)} \qquad \ln k = \ln A - \frac{E_A}{RT}\]
| Größe | Bedeutung | Einheit |
|---|---|---|
| \(k\) | Geschwindigkeitskonstante | je nach Ordnung, z. B. \(\mathrm{s^{-1}}\) |
| \(A\) | präexponentieller Faktor | wie \(k\) |
| \(E_A\) | Aktivierungsenergie | J/mol |
| \(R\) | Gaskonstante, 8,314 | J/(mol·K) |
| \(T\) | absolute Temperatur | K |
Der präexponentielle Faktor \(A\) erfasst, wie oft Teilchen passend orientiert zusammenstoßen. Der Exponentialterm gibt den Anteil der Stöße an, deren Energie die Barriere überwindet. Steigt \(T\), wächst dieser Anteil stark.
Daraus folgen zwei Richtungen. Höhere Temperatur vergrößert \(k\) und damit die Geschwindigkeit. Eine größere Aktivierungsenergie verkleinert \(k\), die Reaktion läuft langsamer. Das gilt für jeden einzelnen Teilschritt. Formuliert man mit der Aktivierungsenthalpie, bleibt die Aussage gleich.
Wird im Examen gerne gefragt: Größere Aktivierungsenergie oder -enthalpie bedeutet kleineres \(k\), höhere Temperatur größeres \(k\). Entscheidend ist nur die Höhe der Barriere, nicht die freie Enthalpie des Produkts.
Trägt man \(\ln k\) gegen \(1/T\) auf, entsteht eine Gerade mit Steigung \(-E_A/R\). Je größer \(E_A\), desto steiler fällt sie.
- Daten: \(E_A\) = 50 kJ/mol, Erwärmung von 298 K auf 308 K.
- Ansatz: \(\ln(k_2/k_1) = \frac{E_A}{R}\left(\frac{1}{T_1}-\frac{1}{T_2}\right) = 6014\ \mathrm{K} \cdot 1{,}09 \cdot 10^{-4}\ \mathrm{K^{-1}} \approx 0{,}655\)
- Ergebnis: \(k_2/k_1 \approx 1{,}9\), also fast doppelt so schnell.
Typische Fehler: \(T\) in °C statt K einsetzen, \(E_A\) in kJ/mol mit \(R\) in J kombinieren, das Minuszeichen vergessen.
Temperatur und Gleichgewicht
Hin- und Rückreaktion teilen denselben Übergangszustand. Ihre Aktivierungsenergien unterscheiden sich um die Reaktionsenthalpie. Bei einer endothermen Reaktion ist die Barriere der Hinreaktion höher.
Nach Arrhenius reagiert \(k\) umso empfindlicher auf Temperatur, je größer \(E_A\) ist. Erwärmen beschleunigt daher beide Richtungen, aber unterschiedlich stark. Bei der endothermen Reaktion gewinnt die Hinreaktion mehr. Das Gleichgewicht verschiebt sich zu den Produkten, wie es auch Le Chatelier vorhersagt.
Quiz
Aussage 1
Bei einer Gleichgewichtsreaktion beschleunigt eine Temperaturerhöhung Hin- und Rückreaktion immer gleich stark.
Beide werden unterschiedlich stark beschleunigt, weil sich ihre Aktivierungsenergien um die Reaktionsenthalpie unterscheiden.
Aussage 2
Hat ein Reaktionsschritt eine größere Aktivierungsenergie, ist seine Geschwindigkeitskonstante bei gleicher Temperatur kleiner.
Im Exponentialterm \(e^{-E_A/(RT)}\) führt größeres \(E_A\) zu kleinerem \(k\).
Aussage 3
Je niedriger die freie Enthalpie des Produkts liegt, desto größer ist die Geschwindigkeitskonstante der Reaktion.
\(k\) hängt nur von der Barriere und der Temperatur ab, nicht von der freien Enthalpie des Produkts.
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