Reaktionsgeschwindigkeiten

Bei vielen Reaktionen verdoppelt eine Temperaturerhöhung um 10 °C ungefähr die Geschwindigkeit. Deshalb halten sich Lebensmittel im Kühlschrank tagelang, verderben aber auf einer warmen Arbeitsplatte.

Eine Explosion ist in einem Sekundenbruchteil vorbei. Rosten dauert Jahre. Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell Edukte verbraucht werden oder Produkte entstehen, etwa in Mol pro Liter und Sekunde. Zwei Reaktionen mit derselben Gleichung können unter verschiedenen Bedingungen sehr unterschiedlich schnell ablaufen. In großen Teilen der Chemie geht es darum, diese Geschwindigkeit zu steuern, vom Kochen über die Medizin bis zur Industrie.

Stoßtheorie

Die Stoßtheorie erklärt Reaktionsgeschwindigkeiten anhand von drei Bedingungen. Erstens müssen sich Teilchen begegnen: Die Geschwindigkeit hängt davon ab, wie häufig Eduktteilchen zusammenstoßen. Zweitens müssen sie richtig ausgerichtet sein, sodass die Atome, die sich verbinden sollen, einander zugewandt sind. Drittens muss der Stoß energiereich genug sein, um die Aktivierungsenergie zu erreichen. Nur Zusammenstöße, die alle drei Bedingungen erfüllen, führen zu Produkten. Beobachte im Labor die Anzeige der Zusammenstöße in den letzten fünf Sekunden und die Zahl der ausreichend energiereichen Stöße. Bei den meisten prallen die Teilchen einfach wieder auseinander.

Fünf Einflüsse auf die Geschwindigkeit

Zunächst kommt es auf die Art der Edukte an. Kleine Natrium- und Eisenstücke verhalten sich an der Luft sehr unterschiedlich: Natrium reagiert über Nacht vollständig, während Eisen kaum angegriffen wird. Calcium reagiert mäßig schnell mit Wasser, Natrium fast explosionsartig. Die Oberfläche spielt eine Rolle, wenn ein Feststoff mit einer Flüssigkeit oder einem Gas reagiert, denn die Reaktion findet nur an den Berührungsstellen statt. Große Holzscheite glimmen, kleine Zweige brennen schnell und Sägemehl in der Luft kann explosionsartig verbrennen. Eisenpulver bildet in verdünnter Säure viel schneller Gasbläschen als ein Eisennagel.

Die Temperatur ist der dritte Einfluss. Wärmere Teilchen bewegen sich schneller und stoßen deshalb häufiger zusammen. Außerdem hat ein viel größerer Anteil der Zusammenstöße genug Energie für eine Reaktion. Bei vielen Vorgängen verdoppelt sich die Geschwindigkeit ungefähr je 10 °C Temperaturanstieg. An vierter Stelle steht die Konzentration: Mehr Teilchen im selben Raum bedeuten mehr Zusammenstöße. Phosphor brennt in reinem Sauerstoff viel schneller als in Luft, die nur etwa 20% Sauerstoff enthält. Der fünfte Einfluss ist ein Katalysator, ein Stoff, der eine Reaktion beschleunigt, ohne dabei verbraucht zu werden. Wasserstoffperoxid zerfällt in der Flasche nur sehr langsam. Auf eine Schnittwunde gegossen schäumt es sofort, weil Stoffe im Gewebe als Katalysatoren wirken.

Den Temperatureinfluss berechnen

Der schwedische Chemiker Svante Arrhenius beschrieb, wie die Geschwindigkeitskonstante k von der Temperatur abhängt: k = A·e^(−Eₐ/RT). Dabei ist R gleich 8.314 J pro Mol und Kelvin und T die Temperatur in Kelvin. Der Exponentialterm beschreibt den Anteil ausreichend energiereicher Zusammenstöße und wächst mit steigender Temperatur rasch an. Bei einer Reaktion mit einer Aktivierungsenergie von 50 kJ pro Mol erhöht der Sprung von 25 °C auf 35 °C die Geschwindigkeit um den Faktor 1.92, also ungefähr auf das Doppelte. Kühlt man dieselbe Reaktion auf 0 °C ab, sinkt die Geschwindigkeit auf etwa das 0.16-Fache des Wertes bei 25 °C. Die letzte Zeile der Laboranzeige führt diese Rechnung für die gewählte Temperatur durch.

Das Teilchenmodell im Labor verwendet eine abgesenkte Energiebarriere, damit Reaktionen innerhalb von Sekunden sichtbar werden, statt gar nicht aufzutreten. Es soll den Zusammenhang zeigen: Schnellere Teilchen, mehr Teilchen und eine niedrigere Barriere ergeben jeweils eine steilere grüne Kurve. Beachte auch, dass die blaue Kurve mit der Zeit flacher wird. Da Edukte verbraucht werden, gibt es weniger A-Teilchen für Zusammenstöße. Deshalb verlangsamt sich die Reaktion auch bei gleichbleibender Temperatur von selbst.