einzelne Chlor-Teilchen mit einzelnen Wasserstoff-Teilchen.
Für eine erfolgreiche Reaktion sind zwei Dinge von entscheidender Bedeutung:
1. Die Teilchen müssen sich überhaupt nahe genug kommen
= miteinander kollidieren
2. Sie müssen sich mit ausreichender Energie an der richtigen Stelle treffen
= Orientierung muss stimmen und Aktivierungsenergie muss ausreichen
Dies sei am Beispiel der Reaktion von Chlor mit Wasserstoff erläutert:
Die Chlor- und Wasserstoff- Teilchen fliegen wahllos im Reaktionsgefäß (SACK) umher. Nur mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit treffen ab und zu Chlor- Teilchen auf Wasserstoff- Teilchen. Treffen Chlor- Teilchen auf Chlor- Teilchen oder Wasserstoff- Teilchen auf Wasserstoff- Teilchen, so bringt dies leider nichts für die chemische Reaktion."
Chemie\winsackx01
Rechts vom Text
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Wie man leicht einsehen kann, ist ein Zusammenstoß der richtigen Teilchen um so häufiger, je mehr Teilchen von beiden Sorten im Reaktionsgefäß enthalten sind."
Was aber passiert, wenn die Aktivierungsenergie der Teilchen zu klein ist?"
Chemie\winsackx02
Rechts vom Text
15
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Unter Aktivierungsenergie versteht man die Energie, die mindestens aufgebracht werden muss, damit dieReaktion stattfindet. Häufig wird sie dazu benötigt, Bindungen zu lösen wie hier in unserem Beispiel, wo erst einmalH-H beziehungsweise Cl-Cl- Bindungen aufgetrennt werden müssen, damit die Atome neue Bindungen eingehen können. Es entstehthäufig ein 'aktivierter Komplex', bei dem die alten Bindungen noch nicht ganz gelöst, und die neuen Bindungen noch nichtganz entstanden sind. Treffen also ungenügend aktivierte H-H- Teilchen auf ungenügend aktivierte Cl-Cl-Teilchen, so passiert gar nichts:"
Was passiert, wenn die Teilchen nicht in der richtigen Art und Weise zusammenstoßen?"
Chemie\winsackx03
Rechts vom Text
15
Treffen die Teilchen 'nur an der Seite' zusammen, so kann sich natürlich der oben erwähnte aktivierte Komplex nicht ausbilden. Es findet dann keine Reaktion statt, auch wenn die Teilchen genügend Aktivierungsenergie besitzen."
Simulation mit dem Sack-Modell:"
Die oben dargestellten Zusammenhänge können in Modellform mit Hilfe von Holzkugeln nachgespielt werden. Aber auch am Computer ist dieses Nachspielen möglich.
1. Kollision
Nach Mischen und Ziehen eines oder mehrerer (verdeckter) Teilchen aus den SACK wird geprüft, ob überhaupt eine Kollision zwischen den richtigen Teilchen vorliegt.
2. Orientierung und Aktivierungsenergie
Durch Würfeln einer Zufallszahl (zwischen 0 und 100 - entspricht einer Reaktionsrate von 0 - 100 % ), und Vergleich mit einer vorgegebenen Erfolgsrate wird ermittelt, ob die Kollison erfolgreich ist oder nicht
Bei erfolgreicher Kollision werden neue Teilchen (Produkte) in den SACK hineingelegt
In allen anderen Fällen werden die alten 'gezogenen' Teilchen (Edukte) zurückgelegt.
Da diese Ziehungen sowie die Protokollierung und Auswertung sehr aufwendig sind und damit vom eigentlichen chemischen Sachverhalt ablenken können, lohnt es sich die Aufgaben dem Computer zu übertragen."
Simulation 0. Ordnung"
Wählen aufrufen und Reaktionstyp 1 auswählen
Spielregeln in Tabellenform:"
Chemie\Winsack\winsackv01
Standard
Spielregeln in Textform:
1. Es können nur blaue (A)-Teilchen gezogen werden
2. Wird ein Teilchen A gezogen, wird es aus dem Reaktionsgefäß entfernt.
Die Voreinstellungen
Anzahl der blauenKugeln (blau) 160
Erfolgsrate für den Tausch 100
Ziehungsmethode per Hand
Kugelzahl für Ziehungsende 1
Blinkdauer 3
Sortieren nein
Anzeige der Reaktion ja
Graph anzeigen ja
sollten Sie belassen bzw. einstellen und mit OK und noch mal mit OK zur eigentlichen SACK- Bild zurückkehren.
Durchführung
Folgen Sie nun den Aufforderungen (am rechten Rand in der unteren Hälfte - links befindet sich das Diagramm, in das die Ergebnisse der Ziehungen eingetragen werden.)
- Einfüllen von 160 blauen Kugeln
- Mischen der Teilchen und Verdecken der Farbe
- Ziehen der Teilchen durch Aussuchen und Anklicken mit der Maus
Falls es Ihnen zu langweilig wird, können Sie in bestimmten Phasen der Ziehung die Automatik einschalten."
Chemie\Winsack\winsackv02
Zentriert (kein Umfluss)
Auswertung
Für die Auswertung der erspielten Daten sollte man diese bei Simulationsende auf der Festplatte speichern.
Es zeigt sich, dass die Wahrscheinlichkeit, eine A-Kugel zu ziehen, über die Zeit konstant bleibt. Die Schüler erkennen schnell, dass es sich um einen Trivialfall handelt, jede Ziehung führt zum Erfolg.
Das Diagramm Teilchen gegen Ziehung ergibt eine Gerade.
n = k * t
Die Simulation verläuft ähnlich wie eine chemische Reaktion, z.B. Elektrolyse. Jede erfolgreiche Ziehung steht für die Reaktion (Abscheidung) eines blauen Teilchens. Die Anzahl der blauen Kugeln entspricht der Anzahl der A-Teilchen. Betrachtet man die Reaktion bei konstantem Volumen, dann entspricht die Anzahl der A-Kugeln der Konzentration des Stoffes A. Analog der Reaktionsgeschwindigkeit können wir definieren:
v =-Dn / Dt
v entspricht hier der Rate, mit der die A-Kugeln in dem Zeitintervall Dt (Ziehungen) gezogen werden.
Zur weiteren Auswertung tragen nun die Schüler direkt oder mit Hilfe des Programms: UNI-AUS die Ziehungsrate v gegen die Zeit t auf (y-Achse: Ziehungsrate, x-Achse: Zeit (Ziehungen). Die folgende Abbildung wurde mit dem Programm: UNI-AUS erstellt."
Chemie\Winsack\winsackv03
Zentriert (kein Umfluss)
Das Diagramm Geschwindigkeit (Teilchen/Ziehung) gegen Teilchen ergibt eine Parallele zur x- Achse.
Zur Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten liest man einfach den y-Abschnitt ab. In diesem Fall natürlich 1 (Teilchen pro Ziehung)"
Variation der Reaktion 0. Ordnung (Erniedrigung der Erfolgsrate)"
Bei einer evtl. Wiederholung der Simulation kann man die Erfolgsrate erniedrigen. Durch 'Erwürfeln' einer Zufallszahl (zwischen 0 und 100) und Vergleich mit einer voreingestellten Erfolgsrate wird nun der Tausch nur Vorgenommen, wenn die Zufallszahl kleiner ist als die voreingestellte Erfolgsrate.
Wählen aufrufen und Reaktionstyp 1 auswählen
Bei Voreinstellungen die
Erfolgsrate für den Tausch von 100 auf 50 ändern
und mit OK und noch mal OK zur eigentlichen SACK- Bild zurückkehren und die Simulation starten.
Am Simulationsende kann man den so entstandenen Datensatz für eine genauere Analyse mit dem Programm UNI-AUS abspeichern."
Chemie\Winsack\winsackv04
Zentriert (kein Umfluss)
Man sieht aber schon ohne große Auswertung, das etwa jede zweite Ziehung erfolgreich war. Dies war durch die Voreinstellung der Erfolgsrate (50%) auch beabsichtigt.
Das Diagramm Geschwindigkeit (Teilchen/Ziehung) gegen Teilchen (gezeichnet mit: UNI-AUS) ergibt eine Parallele zur x- Achse."
Chemie\Winsack\winsackv05
Zentriert (kein Umfluss)
Die Werte im Diagramm Geschwindigkeit (Teilchen/Ziehung) gegen Teilchen schwanken trotz Glätten wie zu erwarten sehr stark (zwischen 0 und 1), denn es gibt entweder eine Ziehung oder keine Ziehung. Dennoch erkennt man (fast) eine Parallele zur x- Achse.
Zur Bestimmung der Geschwindigkeitskonstanten liest man einfach den y-Abschnitt ab. In diesem Fall etwa 0.5 (Teilchen pro Ziehung)"
Simulation 1.Ordnung"
Wählen aufrufen und Reaktionstyp 2 auswählen
Spielregeln in Tabellenform:"
Chemie\Winsack\winsackv06
Standard
Spielregeln in Textform:
1. Wird eine blaue Kugel (A) gezogen, so erscheint an ihrer Stelle eine rote Kugel (B) auf dem Bildschirm.
2. Wird eine rote Kugel (B) gezogen, so wird nichts verändert.
Die Voreinstellungen
Anzahl der blauen Kugeln (blau) 160
Erfolgsrate für den Tausch 100
Ziehungsmethode per Hand
Kugelzahl für Ziehungsende 30
Blinkdauer 3
Sortieren nein
Anzeige der Reaktion ja
Graph anzeigen ja
sollten Sie belassen bzw. einstellen und mit OK und noch mal mit OK zur eigentlichen SACK- Bild zurückkehren.
Durchführung
Folgern Sie nun den Aufforderungen (am rechten Rand in der unteren Hälfte - links befindet sich das Diagramm, in das die Ergebnisse der Ziehungen eingetragen werden.)
- Einfüllen von 160 blauen Kugeln
- Mischen der Teilchen und Verdecken der Farbe
Falls es Ihnen zu langweilig wird, können Sie in bestimmten Phasen der Ziehung die Automatik einschalten."
Bearbeiten Einstellungen"
Hier kann sich der Benutzer die einzelnen Bedingungen für die Simulation voreinstellen bzw. während der Simulationen verändern."
Chemie\Winsack\winsackv07
Zentriert (kein Umfluss)
Blinkdauer
Die Blinkdauer beeinflusst die Geschwindigkeit der gesamten Simulation auf dem Bildschirm und sollte von Ihnen so gewählt werden, dass Sie die Simulation noch verfolgen können, es aber für die Schüler noch nicht zu langweilig wird.
Ziehungsmethode
Wählen Sie Ziehungsmethode 'von Hand' so werden vor jeder Ziehung die Kugeln gemischt und verdeckt, so dass die einzelnen Kugelsorte nicht mehr erkennbar ist. Damit wird die Ziehung richtig zufällig. Die ist ein recht langwieriges Verfahren, fördert aber die Einsicht in das Modell. Zur Vereinfachung können Sie den Mauskursor im Sackfeld zur Wahl der Teilchen belassen und die anderen Eingabeaufforderungen quittieren Sie mit Enter oder der Leertaste. Später kann dann auf 'Automatik' umgeschaltet werden."
Bearbeiten Reaktionen"
Im Fenster Reaktionen wählen Sie zuerst zwischen dem Ablauf der Simulation entsprechend einem Simulationstyp oder einer Reaktionsordnung.
Unter Reaktionstyp haben Sie die Auswahl zwischen 9 Typen vorn Reaktionen, deren 'Spielregeln' symbolisch dargestellt werden."
Chemie\Winsack\winsackv08
Zentriert (kein Umfluss)
Ist der begriff Simulationsordnung schon bekannt, können Sie unter diesem Punkt eine der 9 Varianten der verschiedenen Ordnungen anwählen.
Mit Druck auf die Taste Voreinstellungen kommen sie zum Fenster, in dem sich der Anwender die 'Spielumgebung' einstellen kann.
Mit Druck auf die Taste Zahlen/Chancen kommen sie zum Fenster, in dem der Anwender die Anzahle der Teilchen und die Reaktionswahrscheinlichen einstellen bzw. ändern kann."
Teilchenzahlen / Erfolgsraten"
Je nach 'Reaktionstyp' können bis zu vier Teilchenzahlen entweder mit dem Regler oder mit einem Klick auf den entsprechenden Pfeil voreingestellt werden. Die Größe des Sacks begrenzt die Teilchenzahl auf 160. Liegt die Summe der gewählte Teilchen darunter, werden von Computer Leerfelder hinzugefügt."
Chemie\Winsack\winsackv09
Zentriert (kein Umfluss)
In gleicher Weise können die Erfolgsraten (Wahrscheinlichkeit des positiven Verlauf der Reaktion) eingestellt werden.
Mit dem Regler oder mit einem Klick auf den entsprechenden Pfeil lässt sich die Reaktionswahrscheinlichkeit für die im jeweiligen Typ vorkommenden Reaktionen zwischen 0 und 100 % einstellen."