Reaktionskinetik: Übungsaufgaben mit Schritt-für-Schritt-Lösungen

Auch genannt: Reaktionsgeschwindigkeit · Geschwindigkeitsgesetz · Halbwertszeit

Kostenlose Übungsaufgaben zu Reaktionskinetik mit Skizzen, Tipps und vollständigen Musterlösungen. Jedes Mal neue Werte, in drei Stufen: erste Ordnung, Umsatz und zweite Ordnung, Arrhenius.

Kostenlose ÜbungsaufgabeLeicht
t (min)C/C₀t½​ = 5 min0,5

Eine Reaktion erster Ordnung hat eine Halbwertszeit von 5 min. Bestimme ihre Geschwindigkeitskonstante k.

t½ = 5 min
min⁻¹
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Was du übst

  1. Leichterste Ordnung
  2. MittelUmsatz und zweite Ordnung
  3. SchwerArrhenius

Wichtige Formeln

Erste Ordnung
ln(CA/CA0) = −kt
Halbwertszeit (erste Ordnung)
t½ = ln 2/k
Zweite Ordnung
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Zwei Temperaturen
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Reaktionskinetik von Grund auf lernen

1Was Reaktionskinetik ist

Chemische Reaktionen brauchen Zeit. Die Kinetik befasst sich damit, wie schnell eine Reaktion abläuft, nicht wie weit. Sie sagt dir, wie groß ein Reaktor sein muss und wie lange ein Ansatz laufen muss.

Bei einer Reaktion A → Produkte ist die Geschwindigkeit die Rate, mit der die Konzentration von A sinkt, in mol/(L·min). Die Geschwindigkeit hängt meist davon ab, wie viel A noch übrig ist: weniger Moleküle, weniger Stöße, langsamere Reaktion.

Der einfachste Fall ist eine Reaktion erster Ordnung, bei der die Geschwindigkeit proportional zur Konzentration CA ist:

−dCA/dt = k · CA

Die Geschwindigkeitskonstante k misst, wie schnell die Reaktion ist. Bei erster Ordnung hat sie die Einheit 1/Zeit, zum Beispiel min⁻¹. Ein größeres k bedeutet eine schnellere Reaktion.

Selbsttest Die Konzentration von A in einer Reaktion erster Ordnung wird verdoppelt. Was geschieht mit der Geschwindigkeit?
  1. Er bleibt gleich
  2. Sie halbiert sich
  3. Sie verdoppelt sich
  4. Sie wird viermal so groß

Antwort: Sie verdoppelt sich. Erste Ordnung bedeutet Geschwindigkeit = k·C. Verdoppelst du C, verdoppelt sich die Geschwindigkeit. Viermal so groß wäre zweite Ordnung, bei der die Geschwindigkeit mit C² geht.

2Reaktionen erster Ordnung

Die Lösung der Geschwindigkeitsgleichung ergibt einen exponentiellen Abfall. Die Konzentration nach einer Zeit t ist:

CA = CA0 · e−k·t or ln(CA/CA0) = −k·t
t (min)C (mol/L)C₀C₀/2t½2t½

Die Halbwertszeit t½ ist die Zeit, in der die Hälfte von A verbraucht wird. Bei erster Ordnung hängt sie nicht vom Startwert ab: Jede Halbwertszeit halbiert den Rest.

t½ = ln 2 / k = 0,693 / k

Der Umsatz X ist der Anteil von A, der reagiert hat, also CA = CA0·(1 − X). Die Zeit bis zum Erreichen eines Umsatzes X ist:

t = −ln(1 − X) / k
Selbsttest Eine Reaktion erster Ordnung hat k = 0,1 min⁻¹. Wie groß ist ihre Halbwertszeit?
  1. 0,0693 min
  2. 10 min
  3. 5 min
  4. 6,93 min

Antwort: 6,93 min. t½ = ln 2/k = 0,693/0,1 = 6,93 min. 10 min ist 1/k, die Zeit bis zum Abfall auf e⁻¹ = 37 %, nicht auf 50 %.

3Zweite Ordnung und Temperatur

Bei einer Reaktion zweiter Ordnung geht die Geschwindigkeit mit dem Quadrat der Konzentration: −dCA/dt = k·CA². Dann hat k Einheiten wie L/(mol·min), und es gilt:

1/CA = 1/CA0 + k·t

Reaktionen laufen schneller ab, wenn es wärmer wird. Die Arrhenius-Gleichung beschreibt, wie k von der absoluten Temperatur T abhängt:

k = A · e−Ea/(R·T)

Ea ist die Aktivierungsenergie in J/mol und R = 8,314 J/(mol·K). Ist k bei einer Temperatur bekannt, teile die Gleichungen für zwei Temperaturen durcheinander:

ln(k2/k1) = (Ea/R) · (1/T1 − 1/T2)

Verwende Kelvin und Ea in J/mol (kJ/mol × 1000).

Selbsttest Eine Reaktion zweiter Ordnung hat k = 0,5 L/(mol·min) und C₀ = 1 mol/L. Wie groß ist C nach 2 min?
  1. 0 mol/L
  2. 0,368 mol/L
  3. 0,5 mol/L
  4. 2 mol/L

Antwort: 0,5 mol/L. 1/C = 1/1 + 0,5·2 = 2 L/mol, also C = 0,5 mol/L. Mit der Formel erster Ordnung ergibt sich e⁻¹ = 0,368, und vergisst man am Ende den Kehrwert, erhält man 2.

4Das Verfahren Schritt für Schritt

  1. Bestimme die Ordnung aus der Aufgabe: Die Einheiten von k oder das Geschwindigkeitsgesetz (k·C oder k·C²) verraten sie dir.
  2. Schreibe k, CA0 und die bekannte Zeit oder den bekannten Umsatz auf. Prüfe, dass k und t dieselbe Zeiteinheit verwenden.
  3. Erste Ordnung: CA = CA0·e−kt, t½ = ln 2/k oder t = −ln(1 − X)/k.
  4. Zweite Ordnung: 1/CA = 1/CA0 + kt, dann den Kehrwert bilden.
  5. Temperatur: Rechne beide in Kelvin um und verwende die Arrhenius-Gleichung für zwei Temperaturen.
  6. Kontrolle: Die Konzentration muss mit der Zeit sinken und über null bleiben.

5Ein durchgerechnetes Beispiel

Folge jedem Schritt. Versuche, den nächsten vorherzusagen, bevor du ihn öffnest.

Durchgerechnetes Beispiel

Eine Reaktion erster Ordnung A → Produkte hat k = 0,05 min⁻¹. Die Anfangskonzentration von A beträgt 1,2 mol/L. Bestimme die Konzentration CA nach 10 min.

1

Den Abfall skizzieren

t (min)C (mol/L)1,2C = ?10

Erste Ordnung, also fällt die Konzentration exponentiell von 1,2 mol/L ab.

2

Der Exponent

k und t sind beide in Minuten, sie können also direkt multipliziert werden.

k · t = 0,05 · 10 = 0,5
3

Der Abklingfaktor

e−0,5 = 0,6065

Nach 10 min sind also noch 60,65 % von A vorhanden.

4

Konzentration

CA = 1,2 · 0,6065 = 0,728 mol/L
5

Antwort prüfen

Die Halbwertszeit beträgt 0,693/0,05 = 13,86 min. Nach 10 min ist weniger als eine Halbwertszeit vergangen, C muss also zwischen 0,6 und 1,2 mol/L liegen. 0,728 mol/L passt.

Antwort

CA ≈ 0,728 mol/L nach 10 min.

6Häufige Fehler

  • ln(X) oder ln(0,9) für 90 % Umsatz verwenden. Übrig bleibt 1 − X = 0,1, also t = −ln(0,1)/k.
  • log₁₀ statt des natürlichen Logarithmus ln verwenden.
  • Die Formel erster Ordnung für eine Reaktion zweiter Ordnung verwenden.
  • Arrhenius mit °C oder mit Ea in kJ/mol neben R = 8,314 J/(mol·K).
  • Zeiteinheiten mischen: k in min⁻¹ mit t in Sekunden.
Selbsttest Eine diskontinuierliche Reaktion erster Ordnung hat k = 0,1 min⁻¹. Wie lange dauert es, bis 90 % Umsatz erreicht sind?
  1. 1,05 min
  2. 10 min
  3. 23,0 min
  4. 9 min

Antwort: 23,0 min. 90 % Umsatz bedeutet, dass 10 % übrig sind: t = −ln(0,1)/0,1 = 23,0 min. Mit ln(0,9) erhält man 1,05 min, das ist die Zeit für nur 10 % Umsatz.

7So sehen Prüfungsaufgaben aus

  • Leicht: erste Ordnung. Bestimme die Konzentration nach einer Zeit, die Halbwertszeit oder k aus einer Halbwertszeit.
  • Mittel: die Zeit für einen gegebenen Umsatz oder eine Reaktion zweiter Ordnung mit 1/C = 1/C0 + kt.
  • Schwer: Arrhenius. Bestimme k bei einer neuen Temperatur oder die Aktivierungsenergie aus zwei Geschwindigkeitskonstanten.

Arrhenius-Beispiel: k1 = 0,02 min⁻¹ bei 40 °C, Ea = 40 kJ/mol. Bei 70 °C: ln(k2/k1) = (40 000/8,314)·(1/313,15 − 1/343,15) = 1,343.

k2 = 0,02 · e1,343 = 0,0766 min⁻¹

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Beispielaufgaben

Beispiel 1Leicht
t (min)C (mol/L)60 minC = ?

Eine Reaktion nullter Ordnung A → Produkte hat eine Geschwindigkeitskonstante von 0,01 mol/(L·min). Die Anfangskonzentration von A beträgt 0,8 mol/L. Bestimme die Konzentration CA nach 60 min.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 0,8 mol/Lt = 60 min

Gesucht: CA (mol/L)

Tipps anzeigen
  1. Nullte Ordnung: Die Geschwindigkeit −dC/dt = k hängt nicht von der Konzentration ab.
  2. Integration ergibt C = C₀ − kt (gültig, bis A verbraucht ist).
  3. kt = 0,6 mol/L.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Integriertes Gesetz nullter Ordnung

CA = CA0 − kt = 0,8 − 0,01·60 = 0,2 mol/L

Antwort

CA = 0,2 mol/L
Beispiel 2Mittel
t (min)X (%)t = ?99%

Eine Reaktion erster Ordnung in einem Satzreaktor hat k = 0,02 min⁻¹. Wie lange dauert es bis zu einem Umsatz von 99 %? Bestimme t.

k = 0,02 min⁻¹X = 99 %

Gesucht: t (min)

Tipps anzeigen
  1. Ein Umsatz X bedeutet C = C₀(1 − X).
  2. Einsetzen in C = C₀·e^(−kt): 1 − X = e^(−kt), also t = −ln(1 − X)/k.
  3. 1 − X = 0,01.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Reaktionsgeschwindigkeit: Für eine Reaktion erster Ordnung gilt −dC/dt = kC, also C = C₀·e−kt, und die Halbwertszeit ln 2/k hängt nicht von der Konzentration ab. Für eine Reaktion zweiter Ordnung gilt 1/C = 1/C₀ + kt. Die Geschwindigkeitskonstante steigt mit der Temperatur nach Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Umsatz und Konzentration

C/C0 = 1 − X = 0,01

Nach der Zeit auflösen

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,01)/0,02 = 230,3 min

Antwort

t = 230,3 min
Beispiel 3Schwer
Tk30 °C0,170 °C?

Eine Reaktion hat bei 30 °C eine Geschwindigkeitskonstante von 0,1 min⁻¹ und eine Aktivierungsenergie von 120 kJ/mol. Bestimme die Geschwindigkeitskonstante k2 bei 70 °C.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 30 °CT2 = 70 °CEa = 120 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

Gesucht: k2 (min⁻¹)

Tipps anzeigen
  1. Schreibe Arrhenius für beide Temperaturen und teile: ln(k₂/k₁) = −(Ea/R)·(1/T₂ − 1/T₁).
  2. Verwende Kelvin und Ea in J/mol, damit es zu R = 8,314 J/(mol·K) passt.
  3. 1/T2 − 1/T1 = -3,845e-4 K⁻¹.
Antwort und Schritt-für-Schritt-Lösung anzeigen

Reaktionsgeschwindigkeit: Für eine Reaktion erster Ordnung gilt −dC/dt = kC, also C = C₀·e−kt, und die Halbwertszeit ln 2/k hängt nicht von der Konzentration ab. Für eine Reaktion zweiter Ordnung gilt 1/C = 1/C₀ + kt. Die Geschwindigkeitskonstante steigt mit der Temperatur nach Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Absolute Temperaturen

T1 = 303,1 K, T2 = 343,1 K

Arrhenius-Verhältnis

ln(k2/k1) = −(120000/8,314)·(1/343,1 − 1/303,1) = 5,55
k2 = 0,1·e5,55 = 25,72 min⁻¹

Antwort

k2 = 25,72 min⁻¹

Fragen und Antworten

Reaktionskinetik: Worum geht es?

Chemische Reaktionen brauchen Zeit. Die Kinetik befasst sich damit, wie schnell eine Reaktion abläuft, nicht wie weit. Sie sagt dir, wie groß ein Reaktor sein muss und wie lange ein Ansatz laufen muss.

Bei einer Reaktion A → Produkte ist die Geschwindigkeit die Rate, mit der die Konzentration von A sinkt, in mol/(L·min). Die Geschwindigkeit hängt meist davon ab, wie viel A noch übrig ist: weniger Moleküle, weniger Stöße, langsamere Reaktion.

Reaktionskinetik: Wie löst man die Aufgaben Schritt für Schritt?

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Reaktionskinetik: Welche Fehler passieren am häufigsten?
  • Das ist das Gesetz erster Ordnung. Nullte Ordnung bedeutet eine konstante Geschwindigkeit, C fällt also linear: C = C₀ − kt.
  • Das ist die umgesetzte Menge. Ziehe sie von der Anfangskonzentration ab.
Reaktionskinetik: Was wird geübt?
  • Leicht: erste Ordnung
  • Mittel: Umsatz und zweite Ordnung
  • Schwer: Arrhenius

Jede Aufgabe hat neue Werte, so lernst du den Lösungsweg statt einer Antwort. Du hängst fest? Öffne zuerst einen kleinen Tipp und die vollständige Erklärung erst, wenn du sie brauchst.

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  • Du hängst fest? Öffne zuerst einen kleinen Tipp und die vollständige Erklärung erst, wenn du sie brauchst.
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