Reaktionsgeschwindigkeit

Was ist Reaktionsgeschwindigkeit?

Jede chemische Reaktion dauert eine gewisse Zeit — aber wie viel Zeit, das variiert enorm. Ein Dynamitstab explodiert in Millisekunden. Eisen rostet über Jahre hinweg. Milch wird in wenigen Tagen sauer. Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell eine Reaktion ihre Produkte bildet oder ihre Edukte verbraucht.

Genauer gesagt ist die Reaktionsgeschwindigkeit die Menge des gebildeten Produkts (oder des verbrauchten Edukts) pro Zeiteinheit.

• Eine schnelle Reaktion hat eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit — Produkte werden schnell gebildet
• Eine langsame Reaktion hat eine niedrige Reaktionsgeschwindigkeit — Produkte werden langsam gebildet

Schnelle und langsame Reaktionen: Beispiele

Die Bandbreite der Reaktionsgeschwindigkeiten in der Chemie ist erstaunlich:

Einige Reaktionen, wie Explosionen, setzen Energie so schnell frei, dass sie als nahezu augenblicklich beschrieben werden. Andere, wie die Verwitterung von Gesteinen, laufen auf geologischen Zeitskalen ab.

Wie misst man die Reaktionsgeschwindigkeit?

Um zu messen, wie schnell eine Reaktion verläuft, verfolgen wir, wie sich eine bestimmte Größe mit der Zeit ändert. Gängige Messmethoden sind:

1. Volumen des gebildeten Gases pro Zeiteinheit Wenn eine Reaktion ein Gas erzeugt, können wir das Gas auffangen und sein Volumen in regelmäßigen Abständen messen. Zum Beispiel entsteht beim Reagieren von Marmorstücken (Calciumcarbonat) mit Salzsäure Kohlenstoffdioxid. Durch Messen der pro Minute aufgefangenen CO₂-Menge können wir die Geschwindigkeit berechnen.

2. Masseänderung pro Zeiteinheit Wenn ein Gas aus einem offenen Behälter entweicht, nimmt die Masse des Behälters ab. Die Reaktion auf eine Waage zu stellen und die Masse alle 30 Sekunden zu notieren ergibt eine Geschwindigkeit in Gramm pro Sekunde (g/s).

3. Farb- oder Lichtdurchlässigkeitsänderung Bei Reaktionen mit farbigen Stoffen liefert das Messen der Farbänderung mit der Zeit die Reaktionsgeschwindigkeit.

Ein einfacher Ausdruck für die Geschwindigkeit:

Geschwindigkeit = gebildete Produktmenge ÷ benötigte Zeit

oder

Geschwindigkeit = verbrauchte Eduktmenge ÷ benötigte Zeit

Was ist Aktivierungsenergie?

Damit eine chemische Reaktion beginnen kann, müssen die reagierenden Teilchen genug Energie haben, um die bestehenden chemischen Bindungen zu brechen. Diese Mindestenergie, die zum Starten einer Reaktion benötigt wird, heißt Aktivierungsenergie.

Stell dir vor, du schiebst eine Kugel einen Hügel hinauf, bevor sie die andere Seite hinunterrollt. Die Kugel kann auf der anderen Seite einen niedrigeren Energiezustand erreichen, braucht aber zunächst einen Energiestoß, um über den Gipfel zu kommen.

• Reaktionen mit niedriger Aktivierungsenergie starten leicht und sind oft schnell (z. B. Neutralisation)
• Reaktionen mit hoher Aktivierungsenergie sind schwer zu starten und oft langsam oder erfordern hohe Temperaturen (z. B. Kohle verbrennen — man muss sie erst erhitzen, bevor sie von selbst brennt)

Stoßtheorie: Warum Teilchen zusammenstoßen müssen

Chemische Reaktionen finden statt, wenn Teilchen miteinander zusammenstoßen. Aber nicht jeder Zusammenstoß reicht aus — die Stoßtheorie besagt, dass für eine Reaktion folgendes nötig ist:

1. Teilchen müssen zusammenstoßen
2. Der Zusammenstoß muss ausreichend Energie haben (mindestens gleich der Aktivierungsenergie)
3. Die Teilchen müssen mit der richtigen Ausrichtung zusammenstoßen (sie müssen in der richtigen Richtung aufeinandertreffen)

Stell dir vor, du öffnest eine Tür mit einer Karte — du musst am richtigen Ort sein (Zusammenstoß), die Karte fest genug drücken (Energie) und sie richtig herum halten (Ausrichtung). Nur dann öffnet sich die Tür (Reaktion findet statt).

Die meisten Zusammenstöße zwischen Teilchen in einem Gemisch führen nicht zu einer Reaktion — die Teilchen prallen einfach voneinander ab. Nur die energiereicheren Zusammenstöße sind erfolgreich.

Schnelle Reaktionen: Explosionen

Explosive Reaktionen gehören zu den schnellsten in der Chemie. Sie beinhalten eine sehr große Anzahl reaktiver Teilchen in unmittelbarer Nähe, mit genug Energie, um eine Kettenreaktion zu starten — wobei die von der ersten Reaktion freigesetzte Energie sofort weitere Reaktionen auslöst.

Beispiele sind:

• TNT und andere Sprengstoffe im Bergbau und Abbruch
• Der Airbag im Auto, der sich in etwa 30 Millisekunden mithilfe einer schnellen gasbildenden Reaktion aufbläst
• Feuerwerk, bei dem Metallverbindungen schnell reagieren und farbiges Licht erzeugen

Langsame Reaktionen: Rosten

Das Rosten von Eisen ist eine sehr langsame Reaktion zwischen Eisen, Sauerstoff und Wasser, bei der Eisenoxid (Rost) entsteht. Unter normalen Bedingungen hat diese Reaktion eine relativ niedrige Geschwindigkeit — ein Stück Eisen, das draußen liegengelassen wird, zeigt nach mehreren Wochen sichtbaren Rost.

Langsame Reaktionen sind nicht immer unerwünscht. Der langsame Abbau organischer Stoffe im Boden gibt Nährstoffe in das Ökosystem zurück. Die langsamen Reaktionen in Batterien ermöglichen es ihnen, Energie gleichmäßig über Stunden oder Tage statt auf einmal freizusetzen.