Reaktionsgeschwindigkeit berechnen und erklären

Bei einer chemischen Reaktion werden Edukte, also Ausgangsstoffe, verbraucht und Produkte gebildet. Deshalb kannst du beobachten, wie eine Eduktkonzentration sinkt oder eine Produktkonzentration steigt. Für die mittlere Geschwindigkeit bezogen auf einen beobachteten Stoff gilt:

v=\frac{|\Delta c|}{\Delta t}

Dabei ist \Delta c die Konzentrationsänderung und \Delta t die Dauer des betrachteten Zeitintervalls. Der Betrag |\Delta c| liefert eine positive Zahl für die Schnelligkeit. Bei einer Produktbildung ist \Delta c positiv. Bei einer Eduktabnahme ist die rechnerische Änderung negativ. Dann wird für die positive Reaktionsgeschwindigkeit ein Minuszeichen vor den Quotienten gesetzt oder der Betrag verwendet. Eine typische Einheit ist \mathrm{mol/(L\cdot s)} oder \mathrm{mmol/(L\cdot s)}.

Die Geschwindigkeit einer Reaktion bleibt häufig nicht konstant. Am Anfang sind oft viele Eduktteilchen vorhanden. Mit ihrem Verbrauch werden erfolgreiche Zusammenstöße seltener, sodass die Reaktion langsamer werden kann. Für die Magnesium-Ionen zeigt die Messreihe nach 20\,\mathrm{s} eine Konzentration von 15\,\mathrm{mmol/L} und nach 40\,\mathrm{s} von 25\,\mathrm{mmol/L}. In diesem Abschnitt wächst die Konzentration also um 10\,\mathrm{mmol/L} in 20\,\mathrm{s}. Daraus folgt:

v=\frac{10\,\mathrm{mmol/L}}{20\,\mathrm{s}}

v=0{,}5\,\mathrm{mmol/(L\cdot s)}

Dieser Wert ist kleiner als der Mittelwert der ersten 40 Sekunden. Die Produktkonzentration wächst im späteren Abschnitt also langsamer. Je kürzer das untersuchte Zeitintervall wird, desto besser nähert seine Sekante die Tangente und damit die momentane Geschwindigkeit an.

Nach dem Kollisionsmodell müssen Teilchen zusammenstoßen, damit sie reagieren können. Nicht jeder Zusammenstoß ist erfolgreich: Die Teilchen müssen genügend Energie besitzen und passend aufeinandertreffen. Mehr erfolgreiche Kollisionen pro Zeit bedeuten eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit.

Bei höherer Temperatur bewegen sich die Teilchen energiereicher. Mehr Zusammenstöße erreichen die Aktivierungsenergie.

Bei höherer Eduktkonzentration befinden sich im gleichen Volumen mehr Teilchen. Begegnungen und mögliche wirksame Kollisionen werden häufiger.

Bei höherem Druck in Gasen liegen die Teilchen dichter zusammen, wenn das Volumen kleiner wird und die Stoffmenge gleich bleibt. Sie begegnen sich häufiger.

Eine größere Oberfläche bietet mehr Kontaktstellen: Ein fein zerteilter Feststoff hat bei gleicher Masse mehr davon als ein großes Stück.

Ein Katalysator eröffnet einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie. Bei gleichen Bedingungen können dadurch mehr Kollisionen erfolgreich sein. Er wird im idealen Zyklus zurückgebildet und verändert weder die Gesamtenergiebilanz noch die Gleichgewichtslage.

Eine stark exotherme Reaktion setzt viel Energie frei, kann aber wegen einer großen Startbarriere zunächst langsam sein. Die Reaktionsenthalpie \Delta H beschreibt den Energieunterschied zwischen Produkten und Edukten:

\Delta H=H_{\mathrm{Produkte}}-H_{\mathrm{Edukte}}

Bei einer exothermen Reaktion ist \Delta H<0. Das Vorzeichen misst nicht das Reaktionstempo. Freigesetzte Wärme kann es nur indirekt erhöhen, wenn die Temperatur steigt.