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Chemie · Chemisches Gleichgewicht
Reaktionsgeschwindigkeit als Umsatz pro Zeit: Stoßtheorie, Einfluss von Konzentration, Temperatur (RGT-Regel) und Oberfläche, Geschwindigkeitsgesetz mit Ordnung und k und der Weg zum Gleichgewicht über vhin = vrück.
Die Reaktionsgeschwindigkeit sagt, wie viel Stoff pro Zeit umgesetzt wird. Sie steigt, wenn mehr Teilchen häufiger und kräftiger zusammenstoßen.
v = −Δ[A]/Δtin mol·L⁻¹·s⁻¹, für einen Ausgangsstoff A
Das Minus macht v positiv: Die Konzentration des Ausgangsstoffs sinkt, die Geschwindigkeit ist aber immer positiv. Für ein Produkt steigt die Konzentration, dort steht kein Minus.
Im Konzentrations-Zeit-Diagramm ist v die Steigung der Kurve. Sie ist anfangs steil und wird flacher, weil die Edukte weniger werden. Wird die Kurve waagrecht, ist die Reaktion zu Ende oder im Gleichgewicht.
Nach der Stoßtheorie reagieren Teilchen nur bei einem effektiven Stoß: Sie brauchen mindestens die Aktivierungsenergie und müssen passend zueinander stehen. Mehr effektive Stöße pro Zeit bedeuten höhere Geschwindigkeit.
Die Temperatur wirkt meist stärker als die Konzentration: Sie macht die Teilchen nur etwas schneller, aber viel mehr von ihnen erreichen die nötige Energie. Die Konzentration erhöht dagegen nur die Zahl der Stöße.
| Faktor |
|---|
| Grund |
|---|
| Konzentration ↑ | v steigt | mehr Stöße pro Zeit |
| Druck ↑ (Gase) | v steigt | wie höhere Konzentration |
| Temperatur ↑ | v steigt stark | mehr Teilchen mit genug Energie |
| Oberfläche ↑ | v steigt | mehr Kontakt, nur bei Feststoffen |
| Katalysator | v steigt | niedrigere Aktivierungsenergie |
Die RGT-Regel: Bei 10 K mehr verdoppelt bis verdreifacht sich v. Von 25 °C auf 55 °C sind das drei Schritte, also etwa 2³ = 8-fach (bei Faktor 3: 27-fach). Ein Pulver reagiert schneller als ein Block, weil es mehr Oberfläche hat.
→ Ausführlich in: Aktivierungsenergie und Katalysator
v = k · [A]^m · [B]^nk = Geschwindigkeitskonstante, m + n = Ordnung
k ist der Proportionalitätsfaktor. Er hängt von Temperatur und Katalysator ab, nicht von den Konzentrationen. Die Exponenten bestimmst du im Experiment. Sie entsprechen den Koeffizienten der Reaktionsgleichung nur bei einer Elementarreaktion, die in einem einzigen Schritt abläuft.
| Ordnung | Gesetz | Konzentration × 2 |
|---|---|---|
| nullte | v = k | v bleibt gleich |
| erste | v = k·[A] | v × 2 |
| zweite | v = k·[A]² | v × 4 |
Nullte Ordnung gibt es etwa, wenn ein Enzym mit Substrat gesättigt ist. Bei erster Ordnung hat k die Einheit s⁻¹.
Beispiel: Bei v = k·[A]·[B] ist die Reaktion insgesamt zweiter Ordnung. Verdoppelst du beide Konzentrationen, wird v viermal so groß, während k gleich bleibt.
Die Ordnung liest du aus Messungen ab: Verdoppelst du [A] bei konstantem [B], zeigt der Faktor von v den Exponenten. Gleiches v heißt m = 0, doppeltes v m = 1, vierfaches v m = 2. Mehrstufige Reaktionen wie die Ammoniaksynthese kannst du nicht aus der Summengleichung ablesen.
Jede Richtung hat ihr eigenes Gesetz. Für A + B ⇌ C + D gilt v₁ = k₁·[A][B] (Hin) und v₂ = k₂·[C][D] (Rück), jeweils als Elementarreaktion gedacht.
Am Anfang gibt es nur Edukte: v₁ ist groß, v₂ ist null. Mit der Zeit sinkt v₁, v₂ steigt, bis beide gleich sind. Das ist das Gleichgewicht. Dann gilt k₁·[A][B] = k₂·[C][D], also K = k₁/k₂ = [C][D]/([A][B]).
Eine höhere Temperatur beschleunigt beide Richtungen, auch bei einer exothermen Reaktion. Nur die Gleichgewichtslage verschiebt sich dabei in Richtung der endothermen Seite.
Die Geschwindigkeit sagt also, wie schnell das Gleichgewicht erreicht wird. Wo es liegt, sagt K. Ein Katalysator beschleunigt beide Richtungen und ändert K nicht.
→ Ausführlich in: Massenwirkungsgesetz, dort auch Le Chatelier und Haber-Bosch
Interaktive Darstellung
Deine AufgabeVerdopple die Konzentration von 1 auf 2 mol/L und vergleiche die drei Ordnungen: Wo bleibt v gleich, wo verdoppelt es sich, wo vervierfacht es sich? Verändere danach k und prüfe die Werte.
