Reaktionsgeschwindigkeit: Grundlagen

Reaktionsgeschwindigkeit: Grundlage – Chemie

Reaktionen, die du aus dem Chemieunterricht kennst, laufen meist relativ schnell ab. Aber schon hier kannst du Unterschiede erkennen. Manche dauern nur ein paar Sekunden, bei anderen musst du mehrere Minuten warten. In der Natur gibt es auch Reaktionen, die Jahre oder sogar Jahrhunderte andauern können.

Es kann sehr wichtig sein, abschätzen zu können, wie lange eine Reaktion dauert. Wovon die Reaktionsgeschwindigkeit abhängig ist, was eine mittlere Reaktionsgeschwindigkeit ist und wie sich der Zerteilungsgrad auf die Reaktionsgeschwindigkeit auswirkt, erfährst du in diesem Text. Außerdem lernst du, wie die chemische Reaktionsgeschwindigkeit erhöht werden kann und wie diese mit der Geschwindigkeitsgleichung der Chemie berechnet wird.

Was ist die Reaktionsgeschwindigkeit in der Chemie? – Definition

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist dem Themenfeld der Kinetik zuzuordnen. Die Geschwindigkeit, mit der eine chemische Reaktion abläuft, nennen wir Reaktionsgeschwindigkeit $v$. Einfach erklärt gibt dir die Reaktionsgeschwindigkeit an, wie schnell eine bestimmte Konzentration eines Stoffs pro Zeiteinheit umgesetzt wird. Und wie berechnet man nun die Reaktionsgeschwindigkeit? Die Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit erfolgt durch folgende Formel:

$\text{Reaktionsgeschwindigkeit} = \frac{\text{Konzentration}}{\text{Zeit}} \Rightarrow v = \frac{\Delta c}{\Delta t} \quad [\pu{mol//l*s}]$

Bei einem chemischen Gleichgewicht kann die äußerlich beobachtbare Reaktionsgeschwindigkeit null betragen. Das liegt daran, dass sich nach einer gewissen Zeit ein Gleichgewicht einstellt und Hin- und Rückreaktion gleich schnell ablaufen. Dann handelt es sich um eine sogenannte Gleichgewichtsreaktion.

Wie bestimmt man die Reaktionsgeschwindigkeit?

Die Bestimmung der Reaktionsgeschwindigkeit kann über Experimente ablaufen. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten:

Je nach Art der chemischen Reaktion kann die eine oder die andere Methode praktischer sein.

Was beeinflusst die Reaktionsgeschwindigkeit?

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist von mehreren Einflussfaktoren abhängig. Aber was passiert eigentlich während einer Reaktion? Wenn die Edukte $\ce{A}$ und $\ce{B}$ miteinander zu dem Produkt $\ce{C}$ reagieren, unterliegt die Reaktion der Kollisionstheorie. Eine chemische Reaktion kommt nur dann zustande, wenn das Teilchen $\ce{A}$ mit dem Teilchen $\ce{B}$ kollidiert und ausreichend Aktivierungsenergie vorhanden ist.

$\ce{ A + B -> C}$

Die Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen, können gesteuert werden. Damit ist es möglich, die Reaktionsgeschwindigkeit einer Reaktion abzuschätzen und zu erhöhen. Die Abhängigkeiten der Reaktionsgeschwindigkeit schauen wir uns nun etwas genauer an.

Reaktionsgeschwindigkeit und Temperatur

Bei erhöhter Temperatur läuft die Reaktionsgeschwindigkeit schneller ab, weil sich die Teilchen schneller bewegen und dadurch öfter aufeinanderstoßen. Die Beeinflussung der Reaktionsgeschwindigkeit durch die Temperatur kann auch mit der sogenannten RGT-Regel abgeschätzt werden.

Reaktionsgeschwindigkeit und Konzentration

Je höher die Konzentration der Edukte ist, desto wahrscheinlicher wird ein Aufeinandertreffen der Teilchen. Demnach besteht eine Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration.

Reaktionsgeschwindigkeit und Druck

Durch die Erhöhung des Drucks, vor allem bei Gasen, wird das Volumen der Edukte verringert und die Konzentration steigt an. Die Teilchen kollidieren mit einer höheren Wahrscheinlichkeit und die Reaktionsgeschwindigkeit steigt.

Reaktionsgeschwindigkeit und $pH$-Wert

Die Reaktionsgeschwindigkeit einer enzymatischen Reaktion kann zum Beispiel durch den $pH$-Wert beeinflusst werden, da manche Enzyme (Chemie) ein begrenztes $pH$-Optimum und eine individuelle Enzymaktivität besitzen. Das an der Verdauung im Magen beteiligte Enzym Pepsin besitzt ein $pH$-Optimum um den $pH$-Wert von zwei bis drei. Bei der Enzymreaktionen hat auch die Substratkonzentration einen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Ist die Substratkonzentration gering, verläuft die Reaktion nur langsam.

Reaktionsgeschwindigkeit und Katalysator

Der Grund dafür, warum ein Katalysator eine chemische Reaktion beeinflusst, liegt darin, dass dieser die Aktivierungsenergie der Edukte herabsenken kann. Wie Katalysatoren bei chemischen Reaktionen die Reaktionsgeschwindigkeiten erhöhen können, kannst du dir in dem Video Katalyse ansehen.

Reaktionsgeschwindigkeit und Zerteilungsgrad

Der Zerteilungsgrad beschreibt das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen eines Stoffs. Je größer der Zerteilungsgrad der Edukte ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass Teilchen aufeinandertreffen und dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen. Das Prinzip wird Oberflächenvergrößerung genannt.

Stoßtheorie

Wenn man chemische Reaktion auf der Teilchenebene betrachtet, basiert sie auf den Zusammenstößen von Teilchen. Aber nicht jeder Zusammenstoß löst eine Reaktion aus. Denn eine Reaktion findet nur statt, wenn Teilchen mit ausreichender Energie zusammenstoßen. Die Energiemenge, die zur Auslösung einer chemischen Reaktion mindestens benötigt wird, bezeichnet man als Aktivierungsenergie.

Anhand der Zusammenstöße von Teilchen mit ausreichend Aktivierungsenergie können wir die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmen. Das heißt, umso mehr erfolgreiche Zusammenstöße pro Sekunde, desto höher die Reaktionsgeschwindigkeit.

Das heißt, es gibt, ebenso wie bei der Reaktionsgeschwindigkeit, dieselben Faktoren, die die Anzahl der Zusammenstöße verändern. Zu beachten sind vor allem die Temperatur, die Konzentration und der Druck. Ersteres spielt eine große Rolle, denn wenn die Temperatur höher ist, bewegen sich die Teilchen schneller und zusätzlich besitzen viel mehr Teilchen eine Energie oberhalb der Aktivierungsenergie. Daher führt eine höhere Temperatur zu deutlich mehr Teilchenzusammenstößen und damit einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit.

Der Druck ist vor allem bei Gasen ein wichtiges Thema. Denn bei höherem Gasdruck wird das Volumen verringert. Daher sind die Teilchen näher beieinander und stoßen daher häufiger zusammen. Ähnliches gilt bei der Konzentration von Lösungen. Denn je mehr reagierende Teilchen bei gleichbleibenden Volumen in einer Lösung enthalten sind, desto mehr Zusammenstöße gibt es pro Sekunde.

Zusätzlich kann auch ein sogenannter Katalysator bei einer Reaktion eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um einen Stoff, der bei der Reaktion nicht verbraucht wird, aber die Aktivierungsenergie der Teilchen herabsetzt und somit für mehr Zusammenstöße der reagierenden Teilchen sorgt.

Grundsätzlich wissen wir also, dass eine Reaktion von den Zusammenstößen der Teilchen abhängt, wir diese Zusammenstöße aber durch Faktoren wie Temperatur, Konzentration und Druck oder die Hinzugabe eines Katalysators beeinflussen können.

Darstellung der Reaktionsgeschwindigkeit in einem Diagramm

Man kann die Reaktionsgeschwindigkeit in einem Zeitdiagramm darstellen. Dabei wird zum Beispiel die Konzentration auf der y-Achse und die Zeit auf der x-Achse aufgetragen. Mithilfe eines Steigungsdreiecks kann dann die Reaktionsgeschwindigkeit über die Konzentration berechnet werden. Durch das Anlegen einer Tangente wird die durchschnittliche bzw. mittlere Reaktionsgeschwindigkeit ermittelt. Die momentane Reaktionsgeschwindigkeit gibt die Reaktionsgeschwindigkeit zu einem festen Zeitpunkt $t$ an. Man sagt dazu auch Momentangeschwindigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit. Aus dem Diagramm kann die maximale Reaktionsgeschwindigkeit abgelesen werden, indem der Punkt im Graphen mit der größten Steigung ermittelt wird.

Reaktionsgeschwindigkeit – Beispiele

Um den Verlauf der Reaktionsgeschwindigkeit zu betrachten, kann die Reaktion von dem Metall Magnesium $(\ce{Mg})$ mit Salzsäure $(\ce{HCl})$ betrachtet werden. Während der Reaktion entsteht Wasserstoff $(\ce{H2})$. Das Gas wird aufgefangen und sein Volumen in Abhängigkeit von der Zeit wird bestimmt und in einem Diagramm aufgetragen. Die Kurve steigt zunächst steil an und flacht dann ab. Das bedeutet, dass die Reaktionsgeschwindigkeit zunächst schnell verläuft und zum Ende der Reaktion langsamer wird. Sie verläuft also so ähnlich wie in der Abbildung oben dargestellt.

$\ce{Mg + 2HCl -> H2 + MgCl2}$

Reaktionsgeschwindigkeit: Grundlage – Zusammenfassung

Nun weißt du, was die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion bedeutet. Diese ist die Änderung der Konzentration in $\pu{mol//l}$ pro Zeiteinheit $\pu{s}$. Du hast die Definition und Formel für die Reaktionsgeschwindigkeit aus der Chemie kennengelernt:

$v = \frac{\Delta c}{\Delta t} \quad [\pu{mol//l*s}]$

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist konzentrationsabhängig. Außerdem können der Druck, der $pH$-Wert, die Temperatur, ein Katalysator und der Zerteilungsgrad Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit haben.

Im Anschluss an das Video und diesen Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!