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Reaktionskinetik-Einführung
• Die Reaktionskinetik untersucht den zeitlichen Ablauf
chemischer Reaktionen
• Hierzu wird eine veränderliche und messbare Größe
während der Reaktion verfolgt.
• Solche Größen können z.B. sein: Farbe, Gasvolumen,
Masse, Leitfähigkeit, pH-Wert
• Diese Größen müssen in einer mathematischen Beziehung
zur Konzentration von einem der an der Reaktion
beteiligten Partner stehen
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Bearbeitung:Jens Vogel 2001
Hydrolyse von tertiär-Butylchlorid
Die Hydrolyse von tertiär-Butylchlorid ( 2-Chlor-2-methylpropan) soll
kinetisch untersucht werden.
Theoretischer Hintergrund der Reaktion:
Das positiv polarisierte Kohlenstoffatom wird von dem polaren
Wassermolekül nucleophil angegriffen. Das Chloratom wird
substituiert. Als Produkte entstehen tert.Butanol und Chlorwasserstoff.
Reaktionsschema:
CH3
CH3
CH3


Cl
C
O H
CH3
C
OH
H
Cl
H
CH3
CH3
Während der Reaktion entsteht also Chlorwasserstoffsäure (Salzsäure), deren
Ionen die Leitfähigkeit der Lösung ansteigen lassen.
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Bearbeitung Jens Vogel 2001
Experiment
Man lässt tert. Butylchlorid in einem Becherglas mit Wasser reagieren ( Versuchsskizze siehe Abb.1)
und misst während der Reaktion die elektrische Leitfähigkeit. (Skizze Kapenberg,AK-Computer)
Abb.1
Während der Reaktion entstehen
tert. Butanol und Chlorwasserstoff, der - in Wasser gelöst - die
elektrische Leitfähigkeit (LF) der
Lösung ansteigen lässt.
Die Grösse der Leitfähigkeit ist
also ein Maß für das Fortschreiten der Reaktion.
Die nebenstehende Abbildung
(Abb.2) gibt den Anstieg der
Leitfähigkeit während der
Reaktion wieder.
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Abb.2
Leitfähigkeit-Zeit-Diagramm
Von der Leitfähigkeit zum Konzentrations-Zeit-Diagramm
Die gemessenen LF-Werte werden vom Messgerät ( All-Chem-misst) an ein
Mess-und Auswertungsprogramm* übergeben.
Zwischen Leitfähigkeit und Konzentration der Lösung besteht eine direkte
Proportionalität.Mit Hilfe des Computers werden nun bestimmte LF-Werte bestimmten Konzentrationswerten des tert.- Butylchlorids zugeordnet.
Nach dieser Umrechnung erhält
man ein Konzentrations / Zeit Diagramm.
* Uni-Mess v.AK-Computer Dr. Kapenberg
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Vom Konzentrations-Zeit-Diagramm zum Zeitgesetz
• Ziel kinetischer Untersuchungen in der Chemie ist es, herauszufinden, nach welcher mathematischen Gesetzmäßigkeit die
Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration abhängt.
Die Reaktionsgeschwindigkeit ist in der Chemie definiert mit
c
V=
t
Hier die Durchschnittsgeschwindigkeit
als Differenzenquotient
• Die Durchschnittsgeschwindigkeiten werden graphisch oder
rechnerisch für relativ kleine Zeitintervalle mit Hilfe von
Steigungsdreiecken bestimmt.
• Man trägt nun die Durchschnittsgeschwindigkeiten in einem v/cDiagramm über die Konzentration auf. Ergibt sich für die
graphische Darstellung eine Gerade, so handelt es sich um eine
sog. Reaktion 1.Ordnung.
Bestimmung des Zeitgesetzes (Reaktionsordnung)
Im Idealfall gilt für Reaktionen 1. Ordnung in der Chemie die
Exponentialfunktion
c = c(o) * e-kt
Nach Umformen und Logarithmieren erhält man die Funktion:
Der letzte Ausdruck ist eine lineare Funktion der allgemeinen Form
y = - m x. Wählt man c(o) mit 1 mol/l gilt der Ausdruck: ln c = - kt
Trägt man nun den Logarithmus von lnc/c(o) (y.Achse) über die Zeit t
(x-Achse) auf und erhält man hierbei eine Gerade, so handelt es sich um
eine Reaktion 1.Ordnung. Die Geschwindigkeitskonstante k lässt sich leicht
graphisch als Geradensteigung ermitteln.
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Für die hier aufgenommenen
Messwerte erhält man den
nebenstehenden Graphen.
Von Messungenauigkeiten
abgesehen verläuft dieser in
weiten Bereichen linear.
Die Hydrolyse von tert.
Butylchlorid
verläuft somit nach einem
Zeitgesetz 1.Ordnung.
Die Reaktionsgeschwindigkeit
hängt von nur einer
Teilchensorte, hier von der
Konzentration des tert.
Butylchlorids ab.
Es gilt: v = k * c(Butylchl.)
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v-/ c-Diagramm ( RG /c-Diagramm)
Vom Zeitgesetz zum Reaktionsmechanismus I.Schritt
Der langsamste aller Teilschritte bestimmt bei chemischen
Reaktionen die Gesamtgeschwindigkeit.
An diesem sog. geschwindigkeits-bestimmenden Schritt ist also
nur das tert. Butylchlorid-Molekül beteiligt, also nur das
Substratmolekül, nicht das Nucleophil.
Dieser Schritt ist die Ausbildung eines Carbeniumions:
CH3
CH3
langsam
CH3
C
Cl
CH3
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CH3
C
CH3
Cl
Vom Zeitgesetz zum Reaktionsmechanismus II.Schritt
Im zweiten , dem schnellen Reaktionsschritt, erfolgt dann die
Reaktion mit dem Nucleophil, hier mit dem Wassermolekül. Das
Carbeniumion ist planar gebaut. Der nucleophile Angriff kann von
beiden Seiten erfolgen. Es entsteht – über ein Alkyloxoniumion –
tert. Butanol
( 2-Methylpropanol-2)
Die Reaktion läuft also nach dem Mechanismus einer SN-1
Reaktion ab:
CH3
CH3 C
CH3
CH3
CH3

O H
H
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Bearbeitung Jens Vogel 2001
H
schnell
CH3
C
O
H
CH3
schnell
CH3 C
CH3
O
H
H