Geschwindigkeit der chemischen Reaktion

Geschwindigkeit der Reaktion

Die Geschwindigkeit, mit der eine chemische Reaktion abläuft, ist definiert als die Änderung der Konzentration des Substrats oder des Produkts im Laufe der Zeit. Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist eine Funktion, die in Form einer allgemein verwendeten Ratengleichung beschrieben wird. Die Konzentrationsänderungen der Bestandteile in einer solchen Gleichung werden normalerweise als Stoffmengenkonzentration angegeben. Es ist jedoch zu beachten, dass jede andere Art der Mengenangabe verwendet werden kann, wie z.B. die Masse, der Stoffmengenanteil oder der atomare Anteil. In der Chemie wird auch ein fortschrittlicherer Begriff verwendet, nämlich die momentane Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion. Der Ablauf einer Reaktion lässt sich veranschaulichen, indem man auf das Diagramm der Abhängigkeit die Stoffmengenanteil (auf der y-Achse) und die Reaktionszeit (auf der x-Achse) aufträgt. Für die resultierende Kurve werden die Tangente und der Neigungskoeffizient, der der momentanen Reaktionsgeschwindigkeit entspricht, bestimmt.

Eine Größe, die auch die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion bestimmt, ist die so genannte Halbwertszeit. Dies ist eine Größe, die das Verhalten radioaktiver Elemente im Laufe der Zeit beschreibt. Die Halbwertszeit ist die Zeit, die benötigt wird, um die Hälfte der Ausgangsmenge eines Substrats umzuwandeln. Dabei gilt: Je länger die Halbwertszeit, desto kleiner ist die Geschwindigkeitskonstante k in der Ratengleichung der chemischen Reaktion.

Faktoren, die die Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen beeinflussen:

• Konzentration des Substrats – es ist experimentell immer wieder bewiesen worden, dass die Geschwindigkeit einer Reaktion entscheidend von der Konzentration des Substrats abhängt. Je höher die Konzentration in einem System ist, desto schneller läuft ein bestimmter Prozess ab. Dies lässt sich mit der Theorie der aktiven Kollisionen erklären. Nach dieser Theorie wird das Auftreten einer bestimmten chemischen Reaktion durch das Auftreten eines effektiven Stoßes (mit der erforderlichen Energie) zwischen einzelnen Substratmolekülen bestimmt. Somit gilt: Je mehr Substratmoleküle vorhanden sind (je höher ihre Konzentration), desto größer ist die Wahrscheinlichkeit eines Zusammenstoßes, und damit steigt die Geschwindigkeit der Reaktion (eine direkt proportionale Beziehung).
• Vorhandensein eines Katalysators im System – Katalysatoren sind Substanzen, die, wenn sie einem Reaktionssystem hinzugefügt werden, die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöhen. Dies ist auf eine Verringerung der Aktivierungsenergie zurückzuführen, d.h. der Energie, die von den Substraten benötigt wird, um die Energiebarriere der Reaktion zu überwinden und den aktiven Komplex zu bilden (der Übergangszustand, der der Bildung der eigentlichen Reaktionsprodukte vorausgeht). Die Verringerung der Aktivierungsenergie durch den Katalysator bewirkt, dass weniger Energie benötigt wird, um die chemische Reaktion in Gang zu setzen.
• Temperatur und Druck – nach der van-’t-Hoff’schen Regel erhöht die Erhöhung der Temperatur des Reaktionssystems um 10ᵒC die Reaktionsgeschwindigkeit um das 2- bis 4-fache. Die angegebene Beziehung ermöglicht eine ungefähre Abschätzung der Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung, sie gilt jedoch nicht für alle Reaktionen und führt in Ausnahmefällen sogar zu einer Verringerung dieser Geschwindigkeit oder zur Bildung unerwünschter Produkte. Bei Umwandlungen, an denen nur gasförmige Stoffe beteiligt sind, ist der Druck im System von entscheidender Bedeutung. Mit steigendem Druck erhöht sich die Substratkonzentration, so dass die aktiven Zusammenstöße zwischen den einzelnen Molekülen effizienter sind und die Reaktionsgeschwindigkeit steigt.
• Feinheitsgrad – chemische Reaktionen mit Substraten im festen Zustand finden an deren Oberfläche statt. Je größer die Oberfläche einer Substanz ist, desto schneller und effizienter ist die Umwandlung. Um die Umwandlungsfläche so weit wie möglich zu vergrößern, wird die Substanz daher zerkleinert oder gemahlen. Ein Beispiel ist pulverisiertes Eisen, das in einer Brennerflamme schnell oxidiert wird, ein Effekt, der beim Erhitzen eines Eisenstabs nicht beobachtet wird.
• Mischen – Das Mischen hat einen ähnlichen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit wie der Feinheitsgrad. Die Anregung der Bewegung von Molekülen in einem System führt zu ihrem häufigeren Kontakt und der Bildung von Reaktionsprodukten. Bei Oberflächenprozessen erleichtert das Mischen die Ablösung von Molekülen der entstehenden Substanzen, z.B. von der Oberfläche eines Katalysators, und erleichtert so den Zugang zu aktiven Zentren für andere Substrate.

Ratengleichung

Die Ratengleichung kann zur Beschreibung der Beziehungen zwischen der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion und der Konzentration der Substrate verwendet werden. Für jede chemische Umwandlung gibt es eine charakteristische Ratengleichung. Vereinfacht ausgedrückt lässt sich diese Beziehung als das Produkt aus dem Koeffizienten k (der so genannten Geschwindigkeitskonstante, einer Konstante für eine bestimmte chemische Reaktion bei einer bestimmten Temperatur) und der Substratkonzentration darstellen. Die Form der Ratengleichung hängt von dem Substitutionsgrad der Reaktion ab:

• Reaktionen erster Ordnung – die Geschwindigkeit hängt nur von der Konzentration des Substrats ab, die in der Gleichung in der ersten Potenz angegeben ist.
• Reaktionen zweiter Ordnung – in diesem Fall muss die Ratengleichung beide Reaktanten oder den stöchiometrischen Faktor für ein Substrat berücksichtigen (z.B. bei Zersetzungsreaktionen). Bei einer solchen Reaktion hängt die Geschwindigkeit vom Produkt der Substratkonzentrationen ab.

Die oben genannten Beispiele sind die gebräuchlichsten, da die meisten chemischen Reaktionen erster oder zweiter Ordnung sind. Es sollte jedoch nicht vergessen werden, dass es auch Reaktionen anderer Ordnung gibt, z.B. Reaktionen nullter Ordnung, bei denen die Reaktionsgeschwindigkeit nicht von der Konzentration der Substrate abhängt.

Welche Ratengleichung für eine bestimmte chemische Reaktion aufgestellt wird, hängt in erster Linie von ihrem Mechanismus ab, d.h. von der Abfolge der Elementarreaktionen, bei denen die Moleküle Veränderungen durchlaufen. Bei Prozessen mit einem mehrstufigen Mechanismus wird die Geschwindigkeit der gesamten Reaktion durch den langsamsten Schritt bestimmt. In einer solchen Situation ist es schwierig, die richtige kinetische Gleichung genau zu bestimmen, oder ihre Form kann sehr kompliziert sein. Mit der Ratengleichung ist auch der Begriff des Substitutionsgrades der chemischen Reaktion verbunden. Diese Substitution ist definiert als die Summe der Potenzexponenten in der Ratengleichung. Sie bestimmt, wie viele Moleküle, Ionen oder Atome an einer aktiven Kollision teilnehmen müssen, damit eine chemische Reaktion stattfindet.

Einfluss von Katalysatoren auf die Geschwindigkeit von chemischen Reaktionen

Katalysatoren sind Substanzen, deren Anwesenheit in einem System die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht. Wichtig ist, dass sie bei den stattfindenden Prozessen nicht selbst reagieren. Zusammen mit den Substraten bilden sie so genannte aktive Komplexe, die viel leichter umgewandelt werden können. Nach Abschluss der chemischen Reaktion wird der Katalysator in seiner ursprünglichen Form wiederhergestellt. Die Hauptaufgabe des Katalysators besteht in der Verringerung der Aktivierungsenergie, d.h. der Energie, die für den effektiven Zusammenstoß der an der Reaktion beteiligten Substrate aufgebracht werden muss, damit die Reaktion stattfinden kann. Man unterscheidet zwischen homogener Katalyse (Katalysator und Reaktanden befinden sich im gleichen Aggregatzustand), heterogener Katalyse (Katalysator und Reaktanden befinden sich in unterschiedlichen Aggregatzuständen – die häufigste Art der Katalyse, bei der der Katalysator als Kontakt bezeichnet wird) und Autokatalyse (eines der gebildeten Produkte beschleunigt die nachfolgende chemische Reaktion).

Katalyse und Katalysatoren sind äußerst wertvolle und wichtige Aspekte der meisten industriellen Prozesse, insbesondere in der chemischen Industrie.  Bei den meisten Prozessen in der Chemie werden Katalysatoren eingesetzt, z.B. bei der Gewinnung von Salpetersäure (V) oder Schwefelsäure (VI).