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])

Literatur


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Letzte Überarbeitung: 30. April 2010, Dagmar Wiechoczek