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Übungen: Die Reaktionsgeschwindigkeit

Sekunden oder Jahrhunderte? Wer Konzentrationen und Zeiten sauber auswertet, kann jede Reaktion vermessen.

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Übungsaufgaben

Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.

A1
Was misst man wie?
AFB I

Ordnen Sie jeder Reaktion eine geeignete Messmethode zu, mit der sich ihr zeitlicher Verlauf verfolgen lässt.

Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Gemessen wird immer eine Größe, die sich mit der Konzentration eines Stoffes ändert: Gasvolumen, Farbe, Trübung oder Masse. Die Waage funktioniert nur, wenn das Gas das offene Gefäß verlässt — beim Zink mit Schwefelsäure wäre der Massenverlust durch den leichten Wasserstoff zu klein.
Welcher Stoff entsteht jeweils — ein Gas, ein Feststoff oder ändert sich eine Farbe?
Eine Trübung verdeckt, was unter dem Glas liegt.
A2
Die Definition zusammensetzen
AFB I

Geben Sie die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit bezogen auf ein Edukt im Zeitintervall von \(t_1\) bis \(t_2\) an, indem Sie die Bausteine in die richtige Reihenfolge bringen.

Klicken Sie die Bausteine in der richtigen Reihenfolge an — sie wandern nacheinander in die Plätze. Ein Klick auf einen belegten Platz gibt den Baustein zurück.
\(\bar v = -\dfrac{c_2 - c_1}{t_2 - t_1}\). Beim Edukt ist \(c_2 < c_1\), also \(\Delta c\) negativ — das Minuszeichen macht \(\bar v\) positiv. Bei einem Produkt entfällt das Minuszeichen.
Die Geschwindigkeit ist eine Konzentrationsänderung geteilt durch eine Zeitspanne.
Beim Edukt sinkt die Konzentration — womit wird \(\bar v\) trotzdem positiv?
A3
Von Millisekunden bis Jahrhunderte
AFB I

Ordnen Sie die Vorgänge nach ihrer Reaktionsgeschwindigkeit ein — den schnellsten nach oben.

Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Knallgas explodiert nach der Zündung
2Ein Stück Kalium reagiert auf Wasser
3Hefeteig geht auf
4Traubensaft gärt zu Wein
5Ein Eisennagel rostet an feuchter Luft durch
6Ein Tropfstein wächst um einen Zentimeter
Die Zeitskalen: Knallgas Millisekunden, Kalium wenige Sekunden, Hefeteig etwa eine Stunde, Gärung Tage bis Wochen, Rosten Monate bis Jahre, Tropfsteine etwa ein Jahrhundert je Zentimeter. Reaktionsgeschwindigkeiten überspannen also viele Zehnerpotenzen.
Schätzen Sie für jeden Vorgang die Zeit in Sekunden, Stunden, Tagen oder Jahren.
Ganz unten steht ein Vorgang, den man nur über Generationen beobachten kann.
A4
Vom Gasvolumen zur Konzentration
AFB II

Zinkgranalien reagieren mit 100 mL Salzsäure: \(\ce{Zn + 2 HCl -> ZnCl2 + H2}\). Zwischen \(t = 30\,\mathrm{s}\) und \(t = 60\,\mathrm{s}\) entstehen 36,75 mL Wasserstoff (\(V_m = 24{,}5\,\mathrm{L\,mol^{-1}}\)). Ermitteln Sie die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit bezogen auf Chlorwasserstoff.

Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt, negative Werte mit Minuszeichen.
  1. Stoffmenge \(\Delta n(\ce{H2})\) mmol
  2. Abnahme \(-\Delta c(\ce{HCl})\) \(\mathrm{mol\,L^{-1}}\)
  3. \(\bar v(\ce{HCl})\) \(10^{-3}\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}\)
\(\Delta n(\ce{H2}) = 36{,}75\,\mathrm{mL} / 24{,}5\,\mathrm{mL\,mmol^{-1}} = 1{,}5\,\mathrm{mmol}\). Laut Gleichung reagieren doppelt so viele HCl-Teilchen: \(3{,}0\,\mathrm{mmol}\) in \(0{,}100\,\mathrm{L}\), also \(-\Delta c = 0{,}030\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\). \(\bar v(\ce{HCl}) = 0{,}030\,\mathrm{mol\,L^{-1}} / 30\,\mathrm{s} = 1{,}0\cdot10^{-3}\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}\).
\(n = V/V_m\) — rechnen Sie in mL und mmol, dann kürzt sich der Faktor 1000.
Stoffmengenverhältnis HCl : H₂ = 2 : 1; danach auf 0,100 L Säure beziehen.
A5
Ein Farbstoff verblasst
AFB II

Kristallviolett wird in Natronlauge langsam entfärbt; ein Fotometer liefert die Konzentration des Farbstoffs. Werten Sie die Messreihe aus, indem Sie die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit für jedes Intervall berechnen.

\(t\) in s060120180240
\(c\) in \(10^{-6}\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)20,014,09,86,94,8
Füllen Sie alle Felder aus und prüfen Sie dann. Enter in einem Feld prüft ebenfalls. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Intervall\(\bar v\) in \(10^{-8}\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}\)
0 s bis 60 s
60 s bis 120 s
120 s bis 180 s
180 s bis 240 s
Beispiel erstes Intervall: \(\bar v = (20{,}0 - 14{,}0)\cdot10^{-6}\,\mathrm{mol\,L^{-1}} / 60\,\mathrm{s} = 1{,}0\cdot10^{-7} = 10\cdot10^{-8}\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}\). Die Werte sinken von Intervall zu Intervall auf etwa 70 % — je weniger Farbstoff noch da ist, desto langsamer verschwindet er.
\(\bar v = -\Delta c/\Delta t\) mit \(\Delta t = 60\,\mathrm{s}\).
Achten Sie auf die Zehnerpotenzen: \(10^{-6}/60\) ergibt Werte in der Größenordnung \(10^{-8}\).
A6
Sekante, Tangente, Vorzeichen
AFB II

Entscheiden Sie, ob die Aussagen zutreffen.

6 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 6

Sekante = mittlere Geschwindigkeit, Tangente = momentane Geschwindigkeit. Welcher Stoff als Bezug dient, muss immer dabeistehen.
Unterscheiden Sie zwischen „mittlere“ und „momentane“ Geschwindigkeit.
Denken Sie an die Stoffmengenverhältnisse der Gleichung.
A7
Wie warm wird es?
MixAFB II

Zink reagiert mit Salzsäure exotherm: \(\ce{Zn + 2 H3O+ -> Zn^2+ + H2 + 2 H2O}\), \(\Delta_r H = -153{,}9\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}}\). Im Versuch aus A4 entstehen zwischen 30 s und 60 s genau 1,5 mmol Wasserstoff. Schätzen Sie die mittlere Wärmeleistung ab, die in diesem Intervall frei wird.

Schieben Sie den Regler auf Ihre Antwort — Pfeiltasten bewegen ihn schrittweise. Nach dem Prüfen sehen Sie den Trefferbereich.
0 W20 W
Pro mol Wasserstoff werden 153,9 kJ frei: \(Q = 1{,}5\cdot10^{-3}\,\mathrm{mol}\cdot153{,}9\,\mathrm{kJ\,mol^{-1}} \approx 0{,}23\,\mathrm{kJ} = 231\,\mathrm{J}\). Verteilt auf 30 s: \(P = 231\,\mathrm{J}/30\,\mathrm{s} \approx 7{,}7\,\mathrm{W}\). Wärmeleistung und Reaktionsgeschwindigkeit sind proportional — am Anfang wird es am schnellsten warm.
Wärme \(Q = n\cdot|\Delta_r H|\) (Kapitel 1).
Leistung = Wärme pro Zeit, 1 W = 1 J/s.
A8
Fehlersuche im Protokoll
AFB III

Eine Schülerin verfolgt \(\ce{Zn + H2SO4 -> ZnSO4 + H2}\) mit dem Kolbenprober und wertet ihre V-t-Kurve aus. Überprüfen Sie ihre sechs Notizen.

In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Drei klassische Verwechslungen: Sekante statt Tangente, Volumen statt Steigung und Gasvolumen pro Zeit statt Konzentrationsänderung pro Zeit.
Prüfen Sie bei jeder Zeile: Steigung oder Wert? Sekante oder Tangente?
Stoffmengenverhältnis Zn : H₂SO₄ : H₂ = 1 : 1 : 1.
A9
Trickaufgabe: Welcher Stoff zählt?
TrickAFB III

Distickstoffpentoxid zerfällt in einem geschlossenen Gefäß: \(\ce{2 N2O5 -> 4 NO2 + O2}\). In 100 s sinkt \(c(\ce{N2O5})\) um \(0{,}020\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\). Bestimmen Sie die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit bezogen auf \(\ce{NO2}\).

Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
\(10^{-4}\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}\)
Aus 2 \(\ce{N2O5}\) entstehen 4 \(\ce{NO2}\): \(\Delta c(\ce{NO2}) = 2\cdot0{,}020 = 0{,}040\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\), also \(\bar v(\ce{NO2}) = 4{,}0\cdot10^{-4}\,\mathrm{mol\,L^{-1}\,s^{-1}}\). Die Falle: \(2{,}0\cdot10^{-4}\) ist die Geschwindigkeit bezogen auf \(\ce{N2O5}\), \(1{,}0\cdot10^{-4}\) die bezogen auf \(\ce{O2}\) — drei Stoffe, drei verschiedene Zahlenwerte für dieselbe Reaktion.
Die Konzentrationsänderung bezieht sich auf N₂O₅, gefragt ist NO₂.
Verhältnis N₂O₅ : NO₂ = 2 : 4.
A10
Wie wirkt sich die Panne aus?
AFB III

Mit Magnesiumpulver und 100 mL Salzsäure wird \(\bar v(\ce{HCl})\) für die ersten 20 s über das Wasserstoffvolumen bestimmt. Beurteilen Sie, wie sich die folgenden Pannen auf den berechneten Wert auswirken.

Wählen Sie für jede Zeile eine Stufe: 1 = deutlich zu klein, 2 = etwas zu klein, 3 = kein Einfluss, 4 = etwas zu groß, 5 = deutlich zu groß. Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = deutlich zu klein5 = deutlich zu groß
Der Schlauch zum Kolbenprober ist undicht, ein Teil des Gases entweicht.
Die Stoppuhr läuft von Anfang an 5 s nach — alle notierten Zeiten sind um 5 s zu klein.
In der Rechnung wird V_m = 22,4 L/mol statt 24,5 L/mol verwendet.
Tatsächlich wurden nur 50 mL Säure eingefüllt, gerechnet wird aber mit 100 mL.
Der Kolben des Kolbenprobers klemmt anfangs und gleitet erst nach einigen Sekunden.
Eine gleichmäßig verschobene Zeitachse ändert kein \(\Delta t\). Mit 22,4 statt 24,5 L/mol wird \(n\) um etwa 9 % zu groß. Wer mit dem doppelten Volumen rechnet, halbiert \(\Delta c\). Gasverlust und ein klemmender Kolben verkleinern das gemessene \(\Delta V\) im ersten Intervall.
Setzen Sie jede Panne in \(\bar v(\ce{HCl}) = 2\cdot\Delta V/(V_m\cdot V_{\text{Lsg}}\cdot\Delta t)\) ein.
Ein Fehler, der alle Zeiten gleich verschiebt, verändert \(\Delta t\) nicht.