Was bringt uns ein Kühlschrank?
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Heute ist er aus keinem Haushalt mehr wegzudenken: Der Kühlschrank. Diesen gibt es aber erst, nachdem 1876 Carl von Linde die Kühltechnik revolutionierte. Zuvor nutzten Menschen allenfalls Natur-Eis zur Kühlung von Lebensmitteln oder versuchten sie auf andere Weise haltbar zu machen. Technische und chemische Weiterentwicklungen führten dazu, dass in den 1930er Jahren der Kühlschrank in den USA zur Standardausstattung in privaten Haushalten gehörte und in den 1950er Jahren auch in Deutschland erschwinglich wurde.
Durch das Herabsetzen der Temperatur gelingt es augenscheinlich, chemische Prozesse in Lebensmittel sowie biochemische Stoffwechselprozesse in Mikroorganismen zu verlangsamen und so verderbliche Speisen länger genießbar zu halten.
In der Biologie wird die Verringerung der Stoffwechselrate mit der Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel (die sogenannte RGT-Regel) begründet.
Hat die Temperatur also einen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit? Dies lässt sich leicht prüfen!
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In einem Kühlschrank1
Aufgaben
- Stellen Sie einen Zusammenhang in Form einer Argumentationskette zwischen der Nutzung eines Kühlschranks und der Überschrift dieses Materials her.
- Stellen Sie eine begründete Hypothese zum möglichen Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit auf. Planen Sie prinzipiell den Aufbau eines Experiments zur Prüfung Ihrer These.
- Vergleichen Sie Ihren Ansatz mit V1 und prüfen Sie die Hypothese mit Hilfe des Experiments. Alternativ: Nutzen Sie das Video in M2 und werten Sie zusätzlich zu den Beobachtungen zur Gasentwicklung auch die Aufnahmen mit der Wärmebildkamera aus.
- Stellen Sie einen Rückbezug zur Hypothese her.
Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit
Materialien
- Schutzbrille
- 2 Spritzen (12 mL)
- 2 Spritzen (30 mL)
- Verbinder luer-lock w-w
- Rückschlagventil luer-lock
- alternativ 3-Wegehahn zum Verschließen
-
3 Bechergläser
- Salzsäure, Eisbad, Wärmebad
- 2 Klammern mit Magnet
- fakultativ zum Fixieren während der Filmaufnahme
Chemikalien
- Salzsäure (1 mol / L)
-
Magnesiumband, gefaltet ca. 2 cm
- wiegen!
Hinweis
Es entsteht Wasserstoff – von Zündquellen fernhalten!
Entsorgen und Aufräumen
-
Entstandenen Wasserstoff im Abzug oder am offenen Fenster in die Luft entlassen.
-
Alle verunreinigten Labormaterialien spülen.
-
Alle Materialien an ihren Ursprungsort zurückstellen.
Aufbau und Durchführung
- Zwei 30 mL-Spritzen mit Magnesiumband zwei 10 mL-Spritzen mit je 3 mL Säure möglichst blasenfrei befüllen.
- Letztere mit dem Rückschlagventil verschließen und für ca. 1 Minute in Eiswasser bzw. in anfänglich ca. 55 °C warmes Wasser legen. Deutlich höhere Temperaturen sind wegen der Verbrühungsgefahr und dem Ausgasen von HCl nicht sinnvoll.
- Die Vorgehensweise (Durchführung, Beobachtungen notieren, Entsorgung, Auswertung) kennen Sie bereits aus den vorhergehenden Versuchen.
- Arbeiten Sie nach Entnahme aus den Wasserbädern zügig weiter, damit sich die Temperaturen der Flüssigkeiten nicht wieder zu sehr an die Raumtemperatur annähern.
Möglicher Versuchsaufbau und Fotos mit einer Wärmebildkamera2
Alternative: Nutzen Sie die folgende Videografie
Der Versuch wurde von uns durchgeführt und videografiert. Parallel haben wir mit einer Wärmebildkamera Fotos während des Versuchs gemacht. Die Bilder haben wir in das Video eingebunden.
Versuch samt Fotos mit einer Wärmebildkamera3
Weitergedacht
- Benennen Sie basierend auf M2 den quantitativen Zusammenhang, den die RGT Regel zum Ausdruck bringt, und erklären Sie, warum der in M2 genannte vereinfachte Wirkmechanismus zunächst plausibel erscheint.
- Nutzen Sie das animierte Diagramm in M2 und beschreiben Sie die Auswirkung einer Temperaturerhöhung auf die Energieverteilung der Teilchen innerhalb einer Stoffprobe. Erläutern Sie basierend darauf die RGT-Regel in Form einer Argumentationskette genauer.
- Für Biologieinteressierte: Argumentieren Sie sinnvoll, warum sich die RGT-Regel nicht uneingeschränkt auf biochemische Stoffwechselprozesse übertragen lässt.
Anregungen
Basierend auf dem Material besagt die RGT-Regel, dass eine Erhöhung der Temperatur um 10 Kelvin (oder 10 °C) zu einer Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit um das Zwei- bis Vierfache führt.
Der im Material genannte Mechanismus – also dass sich Teilchen bei höherer Temperatur schneller bewegen und es dadurch zu mehr Zusammenstößen kommt – erscheint zunächst aus folgenden Gründen logisch:
- Temperatur ist physikalisch gesehen ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie der Teilchen. Höhere Temperatur bedeutet also höhere Geschwindigkeit.
- Wenn sich Teilchen schneller im Raum bewegen, legen sie in der gleichen Zeit einen größeren Weg zurück. Statistisch gesehen steigt damit die Wahrscheinlichkeit, dass sie auf ein anderes Teilchen treffen. Da chemische Reaktionen (meist) Zusammenstöße voraussetzen, scheint eine höhere Trefferquote direkt zu einer schnelleren Reaktion zu führen.
Die Maxwell-Boltzmann-Verteilung beschreibt, wie viele Teilchen in einer Probe welche Energie besitzen. Wenn die Temperatur erhöht wird, verändern sich die Kurven wie folgt:
- Verschiebung nach rechts: Das Maximum der Kurve (die wahrscheinlichste Energie) verschiebt sich zu höheren Energiewerten.
- Abflachung der Kurve: Da die Gesamtanzahl der Teilchen gleich bleibt, wird die Kurve breiter und niedriger.
- Verbreiterung des „Schwanzes“: Besonders im Bereich hoher Energien nimmt die Fläche unter der Kurve deutlich zu.
Um zu verstehen, warum die Geschwindigkeit so massiv steigt (Faktor 2–4), obwohl die Anzahl der Stöße nur geringfügig zunimmt, hilft diese Kette:
- Voraussetzung für Reaktion: Nicht jeder Stoß führt zu einer Reaktion. Damit eine chemische Reaktion stattfindet, müssen die Teilchen beim Aufprall eine Mindestenergie aufweisen, die sogenannte Aktivierungsenergie.
- Temperaturerhöhung: Durch die Zunahme der Temperatur verschiebt sich die gesamte Energieverteilung der Teilchen (Maxwell-Boltzmann) nach rechts.
- Anteil energiereicher Teilchen: Obwohl die durchschnittliche Geschwindigkeit nur leicht steigt, nimmt der Anteil der Teilchen, deren Energie größer oder gleich der Aktivierungsenergie ist, exponentiell zu.
- Wirksame Zusammenstöße: Da nun wesentlich mehr Teilchen die energetische Hürde überwinden können, steigt die Zahl der erfolgreichen (wirksamen) Zusammenstöße drastisch an.
- Reaktionsgeschwindigkeit: Da die Reaktionsgeschwindigkeit direkt von der Anzahl der wirksamen Zusammenstöße pro Zeitspanne abhängt, erklärt dies den starken Anstieg um das Zwei- bis Vierfache, den die RGT-Regel beschreibt.
Zusammenfassend: Nicht die Häufigkeit der Stöße ist entscheidend, sondern die Tatsache, dass bei höherer Temperatur ein viel größerer Bruchteil der Teilchen die energetische Hürde (Mindestenergie) überwinden können für eine erfolgreiche Reaktion.
Die RGT-Regel gilt im Stoffwechsel nur eingeschränkt. Die Gründe:
- Biochemische Reaktionen werden fast ausnahmslos von Enzymen gesteuert. Enzyme sind Proteine, die ab einer bestimmten Temperatur denaturieren und ihre Funktion verlieren. Die RGT-Regel besagt eine Beschleunigung der Reaktion voraus, doch die Biologie der Enzymatik liefert einen Totalausfall.
- Im Gegensatz zu rein chemischen Reaktionen weißen Enzyme ein Temperaturoptimum auf, d.h. ihre maximale Arbeitsgeschwindigkeit liegt bei genau diesem Optimum und kann nicht durch eine Temperaturerhöhung beliebig gesteigert werden.
Die RGT Regel und die Maxwell-Boltzmann-Verteilung
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Die Veränderungen der Stoffwechselraten von Mikroorganismen im Kühlschrank können – ähnlich wie in unseren Messungen – mit der Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel erklärt werden. Die RGT-Regel besagt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit um den Faktor zwei bis vier erhöht, wenn die Temperatur um 10 Kelvin steigt.
Und wir könnten es uns für die Erklärung der RGT-Regel einfach machen und sagen, dass sich Teilchen mit zunehmender Temperatur schneller bewegen und dadurch folglich die Anzahl der Stöße zwischen ihnen zunimmt.
Dies ist aber nicht ganz korrekt, da diese Zunahme nur in geringem Maße erfolgt.
Wir erinnern uns: Ludwig Boltzmann hat erkannt, dass die Häufigkeitsverteilung der Geschwindigkeiten und damit die Energie von Gasteilchen von der Temperatur abhängt und hat dies mathematisch erfasst.
Was verändert sich mit höheren Temperaturen exakt? Probieren Sie es aus.