Was ist die Reaktionsgeschwindigkeit, und wie kann man sie beeinflussen?

Manche Reaktionen dauern nur einen Augenblick, wie ein Böller an Silvester. Andere dauern Jahre, wie das Rosten eines Gartenzauns. Die meisten Versuche im Chemieraum liegen dazwischen. Wie schnell eine Reaktion abläuft, beschreibt die Reaktionsgeschwindigkeit:

mittlere Reaktionsgeschwindigkeit v = Änderung der Stoffmenge oder Konzentration ÷ Zeit, für Lösungen v = |Δc| ÷ Δt

Die Einheit hängt davon ab, was man misst: Gramm pro Sekunde (g/s), Milliliter Gas pro Sekunde (mL/s), Mol pro Sekunde (mol/s) oder bei Konzentrationen mol/(L·s). Entstehen 60 mL Gas in 30 Sekunden, ist die mittlere Geschwindigkeit 60 ÷ 30 = 2 mL/s.

Das Stoßmodell (Kollisionsmodell) erklärt, warum sich die Geschwindigkeit ändert. Teilchen reagieren nur, wenn sie zusammenstoßen, und nur, wenn der Stoß eine Mindestenergie hat, die Aktivierungsenergie. Die meisten Stöße bewirken nichts. Alles, was wirksame Zusammenstöße häufiger macht, beschleunigt die Reaktion. Die vier wichtigsten Einflüsse:

1. Temperatur. Wärmere Teilchen bewegen sich schneller. Sie stoßen häufiger zusammen, und vor allem hat ein größerer Anteil der Stöße genug Energie. Die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel) ist eine Faustregel: 10 °C (10 K) mehr verdoppeln die Geschwindigkeit bei vielen Reaktionen ungefähr, manchmal steigt sie sogar bis auf das Vierfache.
2. Konzentration (bei Gasen der Druck). Mehr Teilchen im selben Volumen bedeuten häufigere Zusammenstöße. Eine doppelte Konzentration verdoppelt die Geschwindigkeit oft ungefähr.
3. Zerteilungsgrad (Oberfläche). Nur Teilchen an der Oberfläche eines Feststoffs können getroffen werden. Zerkleinert oder pulverisiert man ihn, liegt mehr Oberfläche frei, und es gibt mehr Stöße pro Sekunde.
4. Katalysator. Ein Katalysator ermöglicht einen anderen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie, sodass mehr Stöße wirksam sind. Er wird nicht verbraucht. Enzyme sind die Katalysatoren der Lebewesen.

Wie misst man die Geschwindigkeit? Man verfolgt eine Größe, die sich ändert: das Gasvolumen im Kolbenprober oder in einem umgedrehten Messzylinder, die abnehmende Masse auf einer Waage, wenn Gas entweicht, oder die Zeit, bis eine Lösung trüb wird (der bekannte Versuch mit dem „verschwindenden Kreuz“ mit Natriumthiosulfat und Salzsäure). Misst man, wie lange eine feste Änderung dauert, ist die Geschwindigkeit proportional zu 1 ÷ Zeit: kürzere Zeit, höhere Geschwindigkeit.

Diagramme. Man trägt die Produktmenge gegen die Zeit auf. Am Anfang ist die Kurve am steilsten, weil die meisten Eduktteilchen da sind; dann wird sie flacher und schließlich waagerecht, wenn ein Edukt aufgebraucht ist. Die Steigung der Kurve ist die Geschwindigkeit (wie bei jedem Liniendiagramm). Die Steigung zwischen zwei Punkten liefert die mittlere, die Steigung der Tangente an einem Punkt die momentane Reaktionsgeschwindigkeit. Eine schnellere Reaktion ergibt eine steilere Kurve, die früher flach wird; mit denselben Eduktmengen erreicht sie aber dieselbe Endmenge.

Wie berechnet man die Reaktionsgeschwindigkeit?#

Man teilt die Änderung einer Menge durch die dafür gebrauchte Zeit: v = |Δc| ÷ Δt bei Konzentrationen, sonst zum Beispiel Gasvolumen ÷ Zeit. Die Einheit ist dann mol/(L·s), mL/s oder g/s.

Was ist der Unterschied zwischen mittlerer und momentaner Reaktionsgeschwindigkeit?#

Die mittlere Geschwindigkeit gilt für einen Zeitraum: Steigung der Verbindungslinie zwischen zwei Punkten. Die momentane gilt für einen Zeitpunkt: Steigung der Tangente an die Kurve in diesem Punkt.

Was besagt die RGT-Regel?#

Sie ist eine Faustregel: Steigt die Temperatur um 10 K, verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit bei vielen Reaktionen ungefähr, manchmal steigt sie bis auf das Vierfache. Genau gilt das nicht für jede Reaktion.

Wie hängt die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration ab?#

Je höher die Konzentration, desto mehr Teilchen sind im selben Volumen und desto häufiger stoßen sie zusammen. Die Geschwindigkeit steigt. Mehr Energie bekommen die Teilchen dadurch aber nicht.

Was ist die Geschwindigkeitskonstante?#

In der Oberstufe schreibt man die Geschwindigkeit als Geschwindigkeitsgesetz, zum Beispiel v = k · c(A). Die Konstante k hängt von der Reaktion und von der Temperatur ab, aber nicht von der Konzentration. Ein Katalysator oder eine höhere Temperatur vergrößert k.

Ist das dieselbe Reaktionsgeschwindigkeit wie beim Menschen?#

Nein. Beim Menschen meint man, wie schnell jemand auf ein Signal reagiert, zum Beispiel beim Bremsen im Straßenverkehr; Fachleute sprechen dabei meist von Reaktionszeit. In der Chemie geht es darum, wie schnell Stoffe in neue Stoffe umgewandelt werden.