Chemische Reaktionen: Typen, Mechanismen und Kinetik

Chemische Reaktion

Eine chemische Reaktion ist ein Prozess, bei dem zwei oder mehr Stoffe (Reaktanten) unter dem Einfluss eines Energiefaktors in andere Stoffe (Produkte) umgewandelt werden.

Eine chemische Gleichung ist die symbolische Darstellung einer chemischen Reaktion.

Klassifizierung von chemischen Reaktionen

Nach Art der Durchführung

• Synthese (Kombination): Elemente oder einfache Verbindungen reagieren zu einer komplexeren Verbindung.
• Zersetzung: Eine Verbindung wird in einfachere Substanzen (Elemente oder Verbindungen) zerlegt.
• Einfache Verdrängung (Substitution): Ein Element reagiert mit einer Verbindung und verdrängt ein Element aus dieser Verbindung.
• Doppelte Verdrängung (Metathese): Zwei Verbindungen tauschen Elemente oder Ionen aus, um zwei neue Verbindungen zu bilden.

Nach Reaktionsgeschwindigkeit

• Schnelle Reaktionen: Reaktionen, die in sehr kurzer Zeit ablaufen (z.B. Explosionen).
• Langsame Reaktionen: Reaktionen, die längere Zeit benötigen (z.B. Rosten von Eisen).

Nach Energiebeteiligung

• Endotherme Reaktionen: Reaktionen, die Energie (z.B. Wärme) aus der Umgebung aufnehmen.
• Exotherme Reaktionen: Reaktionen, die Energie (z.B. Wärme, Licht) an die Umgebung abgeben.

Aktivierungsenergie

Die Aktivierungsenergie ( ) ist in Chemie und Biologie die Energiemenge, die ein System benötigt, bevor ein bestimmter Prozess beginnen kann. Sie wird oft verwendet, um die minimale Energie zu bezeichnen, die erforderlich ist, damit eine chemische Reaktion stattfindet.

Reaktionsmechanismus

Der Reaktionsmechanismus ist die Abfolge von Elementarschritten oder Zuständen, die zu einer chemischen Gesamtreaktion führen. Reaktionsmechanismen verknüpfen kinetische und chemische Dynamik.

Reaktionsgeschwindigkeit

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist definiert als die Menge des Stoffes, der pro Zeiteinheit reagiert. Beispielsweise ist die Oxidation von Eisen unter atmosphärischen Bedingungen eine langsame Reaktion, die viele Jahre dauern kann, während die Verbrennung von Butan in einem Feuer eine Reaktion ist, die in Sekundenbruchteilen abläuft.

Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen

• Art der Reaktion: Einige Reaktionen sind von Natur aus schneller als andere. Die Anzahl der reagierenden Spezies, ihr Aggregatzustand (Feststoffe sind viel langsamer als Gase oder Lösungen), die Komplexität der Reaktion und andere Faktoren können die Reaktionsgeschwindigkeit stark beeinflussen.
• Konzentration: Die Reaktionsgeschwindigkeit steigt mit der Konzentration, wie im Geschwindigkeitsgesetz beschrieben und durch die Kollisionstheorie erklärt. Durch Erhöhung der Reaktandenkonzentration steigt die Häufigkeit von Kollisionen.
• Druck: Die Geschwindigkeit von Gasreaktionen steigt deutlich mit dem Druck, was einer Erhöhung der Konzentration des Gases entspricht. Für Reaktionen in kondensierter Phase ist die Druckabhängigkeit schwach und nur bei sehr hohen Drücken relevant.
• Ordnung: Die Ordnung der Reaktion bestimmt, wie die Konzentration (oder der Druck) die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflusst.
• Temperatur: Eine höhere Temperatur liefert dem System mehr Energie, was die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, da es zu mehr Kollisionen zwischen den Teilchen kommt (Kollisionstheorie). Der Hauptgrund für die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit bei steigender Temperatur ist jedoch, dass mehr Teilchen die notwendige Aktivierungsenergie für die Reaktion aufbringen, was zu erfolgreicheren Kollisionen führt. Der Einfluss der Temperatur wird durch die Arrhenius-Gleichung beschrieben. Als Faustregel gilt, dass sich die Reaktionsgeschwindigkeit für viele Reaktionen bei einem Temperaturanstieg von 10 °C verdoppelt, obwohl der Einfluss der Temperatur auch viel höher oder niedriger sein kann.
  • Beispiel: Kohle verbrennt in Gegenwart von Sauerstoff, aber nicht bei Raumtemperatur. Die Reaktion ist bei hohen Temperaturen spontan, aber bei Raumtemperatur ist die Reaktionsgeschwindigkeit vernachlässigbar. Die durch ein Streichholz erzeugte Temperaturerhöhung kann die Reaktion starten, die sich dann selbst erwärmt, da sie exotherm ist. Dies gilt auch für viele andere Brennstoffe wie Methan, Butan, Wasserstoff usw.
• Die Reaktionsgeschwindigkeit kann unabhängig von der Temperatur sein (nicht-Arrhenius) oder mit steigender Temperatur abnehmen (anti-Arrhenius). Reaktionen ohne Aktivierungsbarriere (z. B. einige Radikalreaktionen) zeigen oft eine Anti-Arrhenius-Temperaturabhängigkeit: Die Geschwindigkeitskonstante nimmt mit steigender Temperatur ab.
• Lösungsmittel: Viele Reaktionen finden in Lösung statt, und die Eigenschaften des Lösungsmittels beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit. Die Ionenstärke hat ebenfalls einen Einfluss.
• Elektromagnetische Strahlung und Lichtintensität: Elektromagnetische Strahlung ist eine Form von Energie. Sie kann die Reaktion beschleunigen oder spontan machen, indem sie den Reaktanten mehr Energie zuführt. Diese Energie wird in den Reaktanten gespeichert (Bindungen können brechen, Moleküle können in elektronisch oder schwingungsmäßig angeregte Zustände übergehen usw.), wodurch Zwischenprodukte entstehen, die leichter reagieren. Durch Erhöhung der Lichtintensität absorbieren die Teilchen mehr Energie, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit steigt.
  • Beispiel: Methan reagiert mit Chlorgas in der Dunkelheit sehr langsam. Die Reaktion kann durch Bestrahlung mit diffusem Licht beschleunigt werden. Bei hellem Sonnenlicht ist die Reaktion explosiv.
• Katalysator: Ein Katalysator erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit (sowohl der Hin- als auch der Rückreaktion), indem er einen alternativen Reaktionsweg mit niedrigerer Aktivierungsenergie bereitstellt.
  • Beispiel: Platin katalysiert die Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff bei Raumtemperatur.
• Isotope: Der kinetische Isotopeneffekt beschreibt die unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeit eines Moleküls, wenn es verschiedene Isotope enthält, typischerweise Wasserstoffisotope, aufgrund des Massenunterschieds zwischen Wasserstoff und Deuterium.
• Oberfläche: Bei Reaktionen an Oberflächen (z. B. bei der heterogenen Katalyse) steigt die Reaktionsgeschwindigkeit mit zunehmender Oberfläche. Dies liegt daran, dass mehr Feststoffpartikel exponiert sind und von Reaktantmolekülen erreicht werden können.
• Mischen: Das Mischen kann einen starken Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit bei homogenen und heterogenen Reaktionen haben.