Reaktionsgeschwindigkeit und Katalyse
Du definierst die Reaktionsgeschwindigkeit, erklärst ihre Abhängigkeit von Konzentration, Temperatur, Zerteilungsgrad und Katalysatoren mit dem Stoßmodell.
Erklärung
Manche Reaktionen laufen in Sekundenbruchteilen ab, etwa eine Knallgasexplosion. Andere brauchen Jahre, wie das Rosten von Eisen. Wie schnell eine Reaktion abläuft, beschreibt die Reaktionsgeschwindigkeit.
Definition
Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit ist die Konzentrationsänderung eines Stoffes pro Zeit:
v = Δc : Δt (Einheit mol/(L · s))
Für ein Edukt nimmt die Konzentration ab, man setzt dann den Betrag an. Meist ist die Geschwindigkeit am Anfang am größten und wird kleiner, weil die Edukte verbraucht werden.
Das Stoßmodell
Damit Teilchen reagieren, müssen sie zusammenstoßen, und zwar mit genügend Energie (mindestens der Aktivierungsenergie) und in der richtigen Orientierung. Je mehr solcher wirksamer Stöße pro Sekunde stattfinden, desto schneller ist die Reaktion.
Einflussfaktoren
- Konzentration (bei Gasen der Druck): Mehr Teilchen pro Volumen bedeuten mehr Zusammenstöße.
- Temperatur: Die Teilchen bewegen sich schneller, und ein größerer Anteil hat genug Energie. Als Faustregel gilt die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel): Eine Erhöhung um 10 K verdoppelt bis vervierfacht die Reaktionsgeschwindigkeit.
- Zerteilungsgrad: Eine größere Oberfläche ermöglicht mehr Zusammenstöße. Zinkpulver reagiert schneller mit Salzsäure als ein Zinkstück.
- Katalysator: Er senkt die Aktivierungsenergie, indem er einen anderen Reaktionsweg ermöglicht. Er beschleunigt die Reaktion, wird aber selbst nicht verbraucht und verändert nicht die Lage des Gleichgewichts.
Katalysatoren im Alltag und in der Natur
- Abgaskatalysator im Auto: Platin, Rhodium und Palladium wandeln Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe in weniger schädliche Stoffe um.
- Enzyme sind Biokatalysatoren: Sie ermöglichen die Reaktionen im Körper bei 37 °C.
- In der Industrie laufen die meisten großen Prozesse katalysiert ab, etwa das Haber-Bosch-Verfahren.
Messung
Die Geschwindigkeit verfolgt man, indem man eine messbare Größe beobachtet: entstehendes Gasvolumen, Massenabnahme, Farbänderung oder Leitfähigkeit.
Das musst du dir merken
v = Δc : Δt. Reaktionen brauchen wirksame Zusammenstöße. Höhere Konzentration, höhere Temperatur (RGT-Regel: +10 K etwa doppelt bis vierfach so schnell), größere Oberfläche und Katalysatoren beschleunigen Reaktionen.
Beispiele
Beispiel 1
- Δc = 0,50 − 0,80 = −0,30 mol/L, Betrag 0,30 mol/L
- v = 0,30 mol/L : 40 s
Ergebnis v = 0,0075 mol/(L · s)
Beispiel 2
- 20 K Erhöhung = zweimal verdoppeln: Faktor 4
- 80 min : 4
Ergebnis etwa 20 Minuten
Aufgaben zum Üben
Warum hält sich Milch im Kühlschrank länger?
Lösung anzeigen
Bei niedriger Temperatur laufen die Zersetzungsreaktionen der Bakterien langsamer ab.
Was unterscheidet einen Katalysator von einem Edukt?
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Der Katalysator wird nicht verbraucht und liegt nach der Reaktion unverändert vor.
Warum reagiert Zinkpulver schneller mit Salzsäure als ein Zinkblech gleicher Masse?
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Das Pulver hat eine viel größere Oberfläche, es kommt zu mehr Zusammenstößen.
Fehler, die Punkte kosten
Es wird angenommen, dass ein Katalysator mehr Produkt entstehen lässt.
Er beschleunigt die Einstellung des Gleichgewichts, verschiebt es aber nicht.
Jeder Zusammenstoß soll zu einer Reaktion führen.
Nur Stöße mit ausreichender Energie und passender Orientierung sind wirksam.
Hinweis zur Klassenstufe
Dieses Thema steht in vielen Bundesländern in Klasse 11 auf dem Lehrplan. Je nach Land und Schulform kann es früher oder später kommen.