Wovon die Reaktionsgeschwindigkeit abhängt
Experimente:
Versuch: Zink in Salzsäure verschiedener Konzentrationen
Versuch: Druck erhöht die Löslichkeit von Kohlenstoffdioxid in Wasser
Versuch: Zink in kalter und in heißer Salzsäure
Versuch: Grobes und fein verteiltes Zink in Salzsäure
Versuch: Pyrophores Eisen
Versuch: Zink in Schwefelsäure ohne und mit Kupferzusatz
Jede chemische Reaktion braucht für ihren Ablauf eine gewisse Zeit: Manche
Reaktionen verlaufen schnell, andere nur sehr langsam. Zum Beispiel reagieren Ionen
in wässriger Lösung schnell miteinander; das Rosten von Eisen verläuft dagegen
langsamer.
Bei chemischen Reaktionen ändern sich die Konzentrationen der beteiligten Stoffe
mit der Zeit: Je größer die Änderung der Konzentration eines Reaktionspartners in
einer bestimmten Zeit ist, desto schneller verläuft die Reaktion desto größer ist also
die Reaktionsgeschwindigkeit.
Für die industrielle Herstellung von Stoffen oder für die Verringerung der
Schadstoffbildung bei chemischen Prozessen ist es wichtig zu wissen, wie man die
Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen kann. Dazu gibt es verschiedene
Möglichkeiten, denn die Reaktionsgeschwindigkeit ist von mehreren Bedingungen
abhängig.
Für das Verständnis ist stets wichtig zu wissen, dass sich zum Einleiten einer
chemischen Reaktion die reagierenden Teilchen treffen müssen. Je schneller
sie sind, desto eher wird es auch zur Bindung oder zum Elektronenaustausch
kommen.
1. Abhängigkeit von der Konzentration
Je größer die Stoffmenge eines reagierenden Stoffes in einem bestimmten Volumen
ist, desto größer ist die Anzahl der Zusammenstöße zwischen den Teilchen.
Je größer die Konzentration der reagierenden Stoffe ist, desto höher ist die
Reaktionsgeschwindigkeit.
Im Verlauf einer chemischen Reaktion nimmt die Konzentration der Ausgangsstoffe
ab. Folglich wird auch die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Reaktionsdauer geringer.
Beispiel:
Zink in verschieden konzentrierter Salzsäure (-> Versuch).
2. Abhängigkeit vom Druck
Sind an einer chemischen Reaktion gasförmige Stoffe beteiligt, hat auch der Druck
Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit: Eine Druckerhöhung bewirkt eine
Konzentrationserhöhung der gasförmigen Reaktionspartner und erhöht die
Stoßwahrscheinlichkeit mit anderen Reaktanden.
Beispiel:
Beim Abfüllen vieler Mineralwässer wird zusätzlich Kohlenstoffdioxid unter
Druck hineingepresst. Dadurch nimmt die Konzentration an Kohlenstoffdioxid zu, die
Lösung wird saurer (-> Versuch).
3. Abhängigkeit von der Temperatur
Bei niedriger Temperatur haben nur verhältnismäßig wenige Teilchen die für eine
Reaktion erforderliche Mindestenergie (Aktivierungsenergie). Die
Reaktionsgeschwindigkeit ist daher gering.
Erhöht man die Temperatur, so wird der Anteil der schnellen und damit
energiereichen Teilchen größer. Es erhöht sich dadurch auch die Anzahl der
wirksamen Zusammenstöße. Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt zu.
Eine Erfahrungsregel sagt: Bei vielen Reaktionen führt eine Temperaturerhöhung
um 10 °C zu einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit.
Dies ist die sog. Reaktionsgeschwindigkeits-Temperatur-Regel, kurz RGT-Regel
genannt.
Zu hoch darf die Energiezufuhr aber nicht werden, da sich sonst die Reaktion unter
Zerfall der Produkte umkehrt.
Beispiel:
Zink in kalter und in heißer Salzsäure (-> Versuch).
4. Einfluss des Zerteilungsgrades
Bei Reaktionen zwischen Säuren und unedlen Metallen entwickelt
sich Wasserstoff. Diese Reaktion findet jeweils an der Grenzfläche
Metall/Säure statt.
Die Oberfläche eines Metalls wächst mit dem Zerteilungsgrad. Je größer die
Oberfläche ist, desto mehr Zusammenstöße können pro Sekunde erfolgen.
Je größer der Zerteilungsgrad der reagierenden Stoffe ist, desto höher ist die
Reaktionsgeschwindigkeit. Oder einfacher ausgedrückt: Je feiner die
reagierenden Stoffe verteilt sind, desto höher ist die Reaktionsgeschwindigkeit.
So kann man z. B. Töpfe aus Aluminium auf einer Gasflamme erhitzen.
Aluminiumpulver kann sich jedoch in Gegenwart von Luft schon unterhalb der
Raumtemperatur entzünden. Es kommt dann zu einer Staubexplosion. Solche
Explosionen sind sehr gefürchtet, weil dabei ein hoher Druck entsteht.
Beispiele:
1 Grobes und fein verteiltes Zink in Salzsäure (-> Versuch).
2 Aluminiumpulver wird wegen seiner leichten Entzündbarkeit mit dem
Gefahrensymbol (F) gekennzeichnet. Gleiches gilt für pyrophores Eisen (->
Versuch).
5. Beeinflussung durch Katalysatoren
Besonders effektiv lassen sich Reaktionsgeschwindigkeiten durch Zusatz
bestimmter Stoffe, die Katalysatoren, beeinflussen.
Katalysatoren sind Stoffe, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen,
indem sie an dem Reaktionsgeschehen teilnehmen und
nach der Reaktion unverändert vorliegen. Damit sind sie Teilnehmer an
Kreisprozessen. Ihre Wirkung beruht auf der Absenkung der
Aktivierungsenergie.
Reaktionen können durch Stoffe nicht beschleunigt, sondern auch verlangsamt
werden (Inhibition).
Beispiel:
Zink in verdünnter Schwefelsäure ohne und mit Kupferzusatz (-> Versuch).
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(Verändert nach Cornelsen [1])