Reaktionsgeschwindigkeit: Grundlagen und Einflussfaktoren

Begriff der Reaktionsgeschwindigkeit

Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt die Rate, mit der Reaktanden in Produkte umgewandelt werden. Sie wird definiert durch die Abnahme der Konzentration eines Edukts oder die Zunahme der Konzentration eines Produkts pro Zeiteinheit. Man unterscheidet dabei zwischen der Durchschnittsgeschwindigkeit und der Momentangeschwindigkeit.

Durchschnittsgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit ist nicht konstant, sondern variiert je nach Zeitintervall.

Momentangeschwindigkeit

Die Momentangeschwindigkeit beschreibt die Reaktionsrate zu einem exakt definierten Zeitpunkt. Mathematisch entspricht sie der Ableitung der Konzentration nach der Zeit, korrigiert um den stöchiometrischen Koeffizienten.

Kollisionstheorie

Damit eine chemische Reaktion stattfinden kann, müssen die Moleküle der Reaktionspartner kollidieren. Jedoch führt nicht jeder Zusammenstoß zu einer Reaktion. Voraussetzungen sind:

• Eine korrekte räumliche Orientierung der Moleküle.
• Das Erreichen einer Mindestenergie, der sogenannten Aktivierungsenergie.

Der Zustand mit der höchsten Energie während des Stoßes wird als aktivierter Komplex bezeichnet.

Faktoren der Reaktionsgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit einer Reaktion hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Physikalischer Zustand und Zerteilungsgrad: Eine größere Kontaktfläche (z. B. bei Gasen oder fein verteilten Feststoffen) erhöht die Reaktionsrate.
• Temperatur: Eine Erhöhung der Temperatur steigert die Geschwindigkeit, da die Teilchen häufiger und energiereicher kollidieren.
• Licht: Photochemische Reaktionen werden durch Strahlung beeinflusst.
• Katalysatoren: Stoffe, die die Aktivierungsenergie senken und einen alternativen Reaktionspfad ermöglichen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden.

Man unterscheidet zwischen homogener Katalyse (gleiche Phase) und heterogener Katalyse (verschiedene Phasen).

Ratengleichung

Die Ratengleichung ist der mathematische Ausdruck, der die momentane Geschwindigkeit in Bezug auf die Konzentration der Reaktanden setzt. Aus ihr lassen sich die Reaktionsordnung und die Molekularität bestimmen.

Die Molekularität gibt die Anzahl der chemischen Spezies an, die als Reaktionspartner an einem Elementarschritt beteiligt sind.

Arrhenius-Gleichung

Die Arrhenius-Gleichung beschreibt den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeitskonstante k und der Temperatur T:

k = A · e^{-Ea / RT}

Daraus folgt, dass die Geschwindigkeitskonstante direkt proportional zur Häufigkeit der Kollisionen ist, mit sinkender Aktivierungsenergie zunimmt und mit steigender Temperatur wächst.