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Rechner für Geschwindigkeitsgesetz und Arrhenius-Gleichung

Kurz gesagt: Rechner für Geschwindigkeitsgesetz und Arrhenius: integrierte Geschwindigkeitsgesetze und Halbwertszeiten nullter, erster und zweiter Ordnung, Reaktionsordnung aus Anfangsgeschwindigkeiten oder Konzentrations-Zeit-Daten und Aktivierungsenergie aus der Arrhenius-Gleichung. Er ist kostenlos, läuft im Webbrowser und braucht keinen Download.

Drei Rechner in einem. Löse integrierte Geschwindigkeitsgesetze nach [A], [A]₀, k oder t auf, mit Halbwertszeiten. Bestimme Reaktionsordnungen und k (mit Einheit) aus Experimenten zur Anfangsgeschwindigkeit oder prüfe Konzentrations-Zeit-Daten auf nullte, erste oder zweite Ordnung. Berechne mit der Arrhenius-Gleichung Ea, k oder T, in °C oder K.

Kurzantwort: Erste Ordnung: ln([A]₀/[A]) = kt und t½ = 0,693/k. Vervierfacht sich die Geschwindigkeit zwischen 293 K und 313 K, ergibt sich aus ln(k₂/k₁) = (Ea/R)(1/T₁ − 1/T₂) Ea = 52,9 kJ/mol.

Fülle drei Werte aus und lass den gesuchten Wert leer.

Integrierte Geschwindigkeitsgesetze und Halbwertszeiten

OrdnungGeschwindigkeitsgesetzIntegrierte FormLineare AuftragungHalbwertszeitEinheit von k
Nullv = k[A] = [A]₀ − kt[A] gegen t, Steigung −k[A]₀ / 2kM s⁻¹
Einsv = k[A]ln[A] = ln[A]₀ − ktln[A] gegen t, Steigung −k0.693 / ks⁻¹
Zweiv = k[A]²1/[A] = 1/[A]₀ + kt1/[A] gegen t, Steigung +k1 / (k[A]₀)M⁻¹ s⁻¹

Bei einer Gesamtordnung p hat k die Einheit M1−p Zeit⁻¹. Reaktionen erster Ordnung werden oft mit log₁₀ geschrieben: k = (2,303/t) log([A]₀/[A]).

Methode der Anfangsgeschwindigkeiten

Vergleiche zwei Experimente, in denen sich nur eine Konzentration ändert. Vervierfacht eine Verdopplung von [A] die Geschwindigkeit, gilt 2m = 4 und m = 2. Allgemein ist m = log(Geschwindigkeitsverhältnis) / log(Konzentrationsverhältnis). Der Rechner passt außerdem alle Versuche gleichzeitig nach der Methode der kleinsten Quadrate an ln(v) = ln k + m ln[A] + n ln[B] an, rundet Ordnungen, die höchstens 0,1 von einer ganzen oder halben Zahl abweichen, und mittelt dann k über alle Versuche.

Arrhenius-Gleichung

k = A·e^(−Ea/RT) ln k = ln A − (Ea/R)(1/T) ln(k₂/k₁) = (Ea/R)(1/T₁ − 1/T₂)

R = 8,314 J mol⁻¹ K⁻¹. Eine Auftragung von ln k gegen 1/T ist eine Gerade mit der Steigung −Ea/R. In der log₁₀-Form: log(k₂/k₁) = Ea/(2,303R) × (T₂ − T₁)/(T₁T₂).

Rechenbeispiele

Zerfall erster Ordnung

N₂O₅ zerfällt mit k = 6,2 × 10⁻⁴ s⁻¹. [A]₀ = 0,050 M. Berechne [A] nach 600 s.

[A] = 0,050 × e^(−6,2 × 10⁻⁴ × 600) = 0,050 × e^(−0,372)

[A] = 0,0345 M

75 % Umsatz (NEET-Stil)

Eine Reaktion erster Ordnung ist nach 40 min zu 75 % abgelaufen. Berechne t½.

75 % Umsatz = 2 Halbwertszeiten, also t½ = 40/2. Probe: k = ln 4 / 40 = 0,0347 min⁻¹.

t½ = 20 min

Zweite Ordnung

2NO₂ → 2NO + O₂ verläuft nach zweiter Ordnung mit k = 0,50 M⁻¹ s⁻¹. Wie lange dauert es, bis die Konzentration von 0,010 M auf 0,0010 M sinkt?

t = (1/0,0010 − 1/0,010) / 0,50 = 900 / 0,50

t = 1800 s (30 min)

Anfangsgeschwindigkeiten (AP-Stil)

Exp. 1: [A] 0,10, [B] 0,10, v 2,0 × 10⁻³. Exp. 2: [A] 0,20, v 8,0 × 10⁻³. Exp. 3: [B] 0,20, v 4,0 × 10⁻³.

Verdopplung von [A] ergibt ×4, also m = 2. Verdopplung von [B] ergibt ×2, also n = 1. k = 2,0 × 10⁻³ / (0,10² × 0,10)

v = k[A]²[B], k = 2,0 M⁻² s⁻¹

Aktivierungsenergie (NCERT)

Die Geschwindigkeit vervierfacht sich, wenn T von 293 K auf 313 K steigt. Berechne Ea.

Ea = 8,314 × ln 4 / (1/293 − 1/313) = 8,314 × 1,386 / 2,181 × 10⁻⁴

Ea = 52,9 kJ/mol

Die Regel „Geschwindigkeit verdoppelt sich alle 10 °C“ (RGT-Regel)

Die Geschwindigkeit verdoppelt sich zwischen 25 °C und 35 °C.

Ea = 8,314 × ln 2 / (1/298,15 − 1/308,15)

Ea ≈ 52,9 kJ/mol

Einheiten und häufige Fehler

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Häufig gestellte Fragen

Wie bestimme ich die Reaktionsordnung aus Anfangsgeschwindigkeiten?

Wähle zwei Experimente, in denen sich nur eine Konzentration ändert. Ordnung = log(v₂/v₁) / log(c₂/c₁). Verdoppelt sich die Geschwindigkeit, wenn eine Konzentration verdoppelt wird, ist die Reaktion erster Ordnung; ×4 bedeutet zweite Ordnung; keine Änderung bedeutet nullte Ordnung.

Wie erkenne ich die Ordnung aus Konzentrations-Zeit-Daten?

Trage [A], ln[A] und 1/[A] gegen die Zeit auf. Die Auftragung, die eine Gerade ergibt, zeigt die Ordnung: null, eins oder zwei. Der Rechner vergleicht die R²-Werte aller drei Anpassungen.

Welche Einheit hat die Geschwindigkeitskonstante?

Bei einer Gesamtordnung n hat k die Einheit M^(1−n) Zeit⁻¹. Nullte Ordnung: M s⁻¹. Erste Ordnung: s⁻¹. Zweite Ordnung: M⁻¹ s⁻¹. Dritte Ordnung: M⁻² s⁻¹.

Wie berechne ich die Aktivierungsenergie aus zwei Temperaturen?

Verwende Ea = R ln(k₂/k₁) / (1/T₁ − 1/T₂) mit T in Kelvin und R = 8,314 J mol⁻¹ K⁻¹. Vervierfacht sich die Geschwindigkeit von 293 K auf 313 K, ist Ea = 52,9 kJ/mol.

Wie groß ist die Halbwertszeit einer Reaktion erster Ordnung?

t½ = ln 2 / k ≈ 0,693/k. Sie hängt nicht von der Anfangskonzentration ab. Nach n Halbwertszeiten ist noch (1/2)ⁿ des Edukts vorhanden.

Warum verdoppelt eine Erhöhung um 10 °C ungefähr die Geschwindigkeit?

Für Reaktionen mit Ea um 50 kJ/mol nahe Raumtemperatur sagt die Arrhenius-Gleichung etwa eine Verdopplung pro 10 °C voraus (RGT-Regel). Das ist eine Faustregel, kein Gesetz.

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