Reaktionskinetik - Messwerterfassung mit dem Computer und Auswertung mit EXCEL

Die Reaktion von Magnesium mit Salzsäure soll kinetisch untersucht werden.
Die notwendigen Um- und Berechnungen sollen mit EXCEL erfolgen, ebenso die graphischen Darstellungen.

1. Vorbemerkungen zur Reaktion und zum Versuchsaufbau

Bei der Reaktion von Magnesium mit Salzsäure entstehen Magnesiumchlorid und Wasserstoff.

Mg + 2 H+ (aq) + 2 Cl-(aq) ------> Mg2+(aq) + 2 Cl-(aq) + H2

Man gibt 80 ml Salzsäure der Konzentration c = 0,1 mol/l in eine Saugflasche, die über einen Gummischlauch mit einem 100 ml Kolbenprober verbunden ist. Der Inhalt der Flasche wird mit Hilfe eines Magnetrührers gleichmäßig gerührt (Skizze 1). Dann fügt man schnell in einer Portion 2 g Magnesium als Grignard-Späne (oder in Form von 0,5 cm langen Stücken Mg-Band) hinzu, verschließt die Flasche sofort mit einem Gummistopfen und setzt eine Stoppuhr in Gang.

Als alternativer Versuchsaufbau hat sich die Verwendung eines großen Zwei-Schenkel-Reagenzglases bewährt. In den einen Schenkel gibt man die Salzsäure, in den anderen die Magnesium-Späne. Nach verbinden mit dem Kolbenprober kippt man das Reaktionsgefäß so, dass die Säure zum Magnesium fließt. Hierdurch wird der Messfehler ausgeschlossen, der zu Beginn des Versuches durch das verzögerte Aufsetzen des Stopfens entsteht.
Das entstehende Wasserstoffvolumen wird alle 20 Sekunden gemessen. Die Konzentration der Salzsäure ist so gewählt, dass das Gesamtvolumen Wasserstoff nicht größer als das Kolbenprobervolumen (100 ml) sein kann.

2. Versuchsauswertung und Umrechnungen

Man kann direkt die gemessenen Volumenwerte des Wasserstoffes über die Zeit graphisch darstellen ( v/t-Diagramm) und an diesem Diagramm die Grundlagen der Reaktionskinetik bezogen auf die Zunahme des H2 -Volumens zeigen ( Durchschnittsgeschwindigkeit als Sekantensteigung, Momentangeschwindigkeit als Tangentensteigung).
Üblicherweise bezieht man in der Chemie die Reaktionsgeschwindigkeit (RG) auf die Abnahme der Konzentration c eines Eduktes bzw. auf die Zunahme der Konzentration c eines entstehenden Produktes. Hierzu sind einige Umrechnungen nötig, die von EXCEL übernommen werden.
In unserer Reaktion nimmt während der Reaktion die Konzentration der H+-Ionen (Säurekonzentration) ab, die der Mg2+ - Ionen zu.

2.1. Umrechnungen des Versuchsvolumens auf das Normvolumen mit Hilfe der Allgemeinen Gasgleichung.

2.2. Umrechnen des Wasserstoffvolumens V(H2) in die entsprechende Stoffmenge n(H2).
Hier gilt die Beziehung : n = V / V(M) ( ml // ml / mol-1 )

2.3. Umrechnen in die äquivalente Stoffmenge Oxoniumionen ( bzw. H+ - Ionen ) n (H+)
Hierzu müssen die Werte n(H2) nur mit 2 multipliziert werden, da - laut Reaktionsschema - zur Bildung von einem H2 - Molekül zwei H+ - Ionen benötigt werden.

2.4. Berechnung der H+-Ionenkonzentration ,die zu jedem Zeitpunkt noch als Restkonzentration vorhanden ist. Hierzu muss man die verbrauchte H+-Ionenkonzentration von der Anfangskonzentration jeweils abziehen. Die Anfangskonzentration c(H+) der Salzsäure ist c(o) (H+) = 0,1 mol /1 .

Man erhält schließlich die nach mehreren Zeitintervallen noch vorhandene Restkonzentration der Salzsäure ( als c(H+) ) . Diese trägt man über die Zeit auf und erhält das c/t-Diagramm.

Da die eingesetzte Magnesiummenge im Überschuss vorhanden ist, die "Konzentration" des Magnesiums deshalb als konstant angesehen werden kann, hängt die RG bei dieser Reaktion nur von der Konzentration der Salzsäure ab. Man erhält also im Idealfall ein c/t-Diagramm mit dem typischen Kurvenverlauf für eine Reaktion 1. Ordnung.

Bei der Bestimmung der Durchschnittsgeschwindigkeiten über Steigungsdreiecke erhielte man für v einen negativen Wert; da es keine negativen Geschwindigkeiten geben kann, erhält die RG, wenn sie auf die Abnahme der Konzentration eines Eduktes bezogen ist, definitionsgemäß ein negatives Vorzeichen, sodass die RG dann wieder positiv wird.