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Photometrische Kinetik

Grundidee

Bei einer kinetischen Messung wird die Absorbanz bei einer festen Wellenlänge in regelmäßigen Zeitabständen aufgenommen. Ist die Absorbanz proportional zur Konzentration einer reagierenden farbigen Spezies, kann der Reaktionsverlauf quantitativ verfolgt werden.

SpektralLab enthält drei unterschiedliche Kinetiksysteme:

  1. Kristallviolett + Hydroxid,
  2. Brillantblau + Hypochlorit,
  3. Iod-/Vitamin-C-Uhrreaktion.

Die drei Kinetikmodule

Gemeinsamer Ablauf

  1. Reaktionssystem wählen.
  2. Konzentrationen und Messintervall festlegen.
  3. Messung starten.
  4. Absorbanz-Zeit-Kurve beobachten.
  5. Rohwerttabelle oder CSV exportieren.
  6. Vergleichsläufe speichern.
  7. Daten extern auswerten.

Die Wiedergabe im Browser ist beschleunigt. Die Achse und exportierten Daten zeigen die Modellzeit.

1. Kristallviolett und Hydroxid

Reaktionsmodell

Bei großem Hydroxidüberschuss wird \([\mathrm{OH^-}]\) während eines Laufs als annähernd konstant behandelt. Die Abnahme des farbigen Kristallvioletts wird als pseudo-erste Ordnung modelliert:

\[ A(t)=A_\infty+(A_0-A_\infty)e^{-k_\mathrm{obs}t} \]

Die Messung erfolgt bei 590 nm.

Einstellbare Größen

  • Anfangskonzentration von Kristallviolett,
  • Hydroxidkonzentration,
  • Schichtdicke,
  • Messdauer,
  • Messintervall.

Kristallviolett-Kinetik

Reaktionsordnung prüfen

Die SchülerInnen vergleichen extern:

\[ A-A_\infty \text{ gegen } t \]
\[ \ln(A-A_\infty) \text{ gegen } t \]
\[ \frac{1}{A-A_\infty} \text{ gegen } t \]

Für pseudo-erste Ordnung wird die logarithmische Auftragung linear. Die Steigung entspricht:

\[ m=-k_\mathrm{obs} \]

Die LehrerInnenansicht kann jeweils ein Kontrolldiagramm mit Regression und \(R^2\) anzeigen. Linearisierungen zur Bestimmung der Reaktionsordnung

Hydroxidkonzentration vergleichen

Bis zu drei Läufe können gespeichert werden. Ein gespeicherter Lauf lässt sich im LehrerInnenmodus später als Auswertungsbasis anklicken.

2. Brillantblau und Hypochlorit

Chemischer Kontext

Hypochlorit verändert das Chromophor des Farbstoffs. Die sichtbare blaue Farbe nimmt ab. Die Entfärbung bedeutet nicht automatisch vollständige Mineralisierung.

Gemessen wird bei 630 nm. Hypochlorit liegt im Modell im Überschuss vor, sodass ebenfalls eine pseudo-erste Ordnung untersucht werden kann.

Einstellbare Größen

  • Brillantblaukonzentration,
  • Hypochloritkonzentration,
  • Schichtdicke,
  • Messdauer,
  • Messintervall.

Entfärbung von Brillantblau

Auswertungen

  • passende Reaktionsordnung bezüglich des Farbstoffs,
  • \(k_\mathrm{obs}\),
  • Vergleich verschiedener Hypochloritkonzentrationen,
  • Auftragung von \(k_\mathrm{obs}\) gegen \([\mathrm{OCl^-}]\),
  • Diskussion der Überschussbedingung.

3. Iod-/Vitamin-C-Uhrreaktion

Prinzip

In der Uhrreaktion wird gebildetes Iod zunächst durch Vitamin C reduziert. Solange Vitamin C vorhanden ist, bleibt die Absorbanz gering. Nach dessen Verbrauch akkumulieren Iod beziehungsweise Triiodid und bilden mit Stärke eine intensive Färbung.

Das Signal zeigt daher:

  1. Induktionsphase,
  2. raschen Anstieg,
  3. Überschreiten einer definierten Absorbanzschwelle.

Gemessen wird modellhaft bei 600 nm.

Einstellbare Größen

  • Wasserstoffperoxidkonzentration,
  • Iodidkonzentration,
  • Vitamin-C-Konzentration,
  • Messdauer,
  • Messintervall. Iod-/Vitamin-C-Uhrreaktion

Umschlagszeit

Die App verwendet als Auswerteschwelle:

\[ A=0{,}200 \]

Die Zeit bis zum Überschreiten wird als Umschlagszeit bestimmt.

Als vereinfachtes Geschwindigkeitsmaß kann verwendet werden:

\[ \frac{1}{t_\mathrm{Umschlag}} \]

Interpretation

\(1/t\) ist keine momentane Reaktionsgeschwindigkeit. Es dient als schulisch vereinfachter Vergleichswert, wenn bis zum Umschlag eine definierte Stoffmenge umgesetzt wurde.

Rohwerttabellen

Die Tabellen sind standardmäßig eingeklappt. Ihre Überschrift zeigt die Zahl der aufgenommenen Messwerte. Der CSV-Export ist unabhängig vom Tabellenzustand verfügbar.

Aufgaben in der App

Kristallviolett

  • KI-CV-01: Reaktionsordnung bestimmen,
  • KI-CV-02: Einfluss der Hydroxidkonzentration.

Brillantblau

  • KI-BB-01: Reaktionsordnung der Farbstoffbleiche,
  • KI-BB-02: Einfluss der Hypochloritkonzentration.

Uhrreaktion

  • KI-UHR-01: Umschlagszeit bestimmen,
  • KI-UHR-02: Konzentrationseinfluss untersuchen.

Modellgrenzen

  • ideale Durchmischung,
  • keine Totzeit beim Start,
  • konstante Temperatur,
  • didaktisch parametrisierte Geschwindigkeitswerte,
  • keine vollständigen Mechanismen,
  • Zeitkompression in der Animation,
  • vereinfachte Restabsorbanz.

Die Modelle eignen sich zur Untersuchung von Datenmustern und Auswertungsverfahren, nicht zur Übernahme von Literaturkonstanten.