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Reaktionsgeschwindigkeit berechnen und erklären
Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, wie stark sich die Konzentration, Stoffmenge oder Masse eines Stoffes pro Zeit verändert. Je mehr Stoff in derselben Zeit umgesetzt wird, desto schneller läuft die Reaktion.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was misst die Reaktionsgeschwindigkeit?
Bei einer chemischen Reaktion werden Edukte, also Ausgangsstoffe, verbraucht und Produkte gebildet. Deshalb kannst du beobachten, wie eine Eduktkonzentration sinkt oder eine Produktkonzentration steigt.
Reaktionsgeschwindigkeit
Die Reaktionsgeschwindigkeit gibt an, wie stark sich eine messbare Stoffgröße während eines bestimmten Zeitintervalls verändert. Häufig verwendet man die Konzentrationsänderung pro Zeit.
Für die mittlere Geschwindigkeit gilt:
$$v=\frac{|\Delta c|}{\Delta t}$$
Dabei ist $\Delta c$ die Konzentrationsänderung und $\Delta t$ die Dauer des betrachteten Zeitintervalls. Der Betrag $|\Delta c|$ liefert eine positive Zahl für die Schnelligkeit.
Bei einer Produktbildung ist $\Delta c$ positiv. Bei einer Eduktabnahme ist die rechnerische Änderung negativ. Dann wird für die positive Reaktionsgeschwindigkeit ein Minuszeichen vor den Quotienten gesetzt oder der Betrag verwendet.
Eine typische Einheit ist $\mathrm{mol/(L\cdot s)}$ oder $\mathrm{mmol/(L\cdot s)}$.
Bei einer Reaktion steigt die Konzentration von Magnesium-Ionen in $40\,\mathrm{s}$ von $0$ auf $25\,\mathrm{mmol/L}$.
Zuerst bestimmst du die Änderungen:
$$\Delta c=25\,\mathrm{mmol/L}-0\,\mathrm{mmol/L}=25\,\mathrm{mmol/L}$$
$$\Delta t=40\,\mathrm{s}-0\,\mathrm{s}=40\,\mathrm{s}$$
Dann setzt du ein:
$$v=\frac{25\,\mathrm{mmol/L}}{40\,\mathrm{s}}=0{,}625\,\mathrm{mmol/(L\cdot s)}$$
In den ersten $40\,\mathrm{s}$ werden im Mittel pro Sekunde $0{,}625\,\mathrm{mmol/L}$ Magnesium-Ionen gebildet.
Berechne immer zuerst Endwert minus Anfangswert und prüfe anschließend Vorzeichen, Einheit und Bedeutung des Ergebnisses.
Wie unterscheiden sich mittlere und momentane Geschwindigkeit?
Die Geschwindigkeit einer Reaktion bleibt häufig nicht konstant. Am Anfang sind oft viele Eduktteilchen vorhanden. Mit ihrem Verbrauch werden erfolgreiche Zusammenstöße seltener, sodass die Reaktion langsamer werden kann.
Mittlere Reaktionsgeschwindigkeit
Die mittlere Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt die durchschnittliche Änderung während eines endlichen Zeitintervalls. In einem Konzentrations-Zeit-Diagramm entspricht sie der Steigung einer Sekante durch zwei Messpunkte.
Für die Magnesium-Ionen liegen außerdem folgende Messwerte vor:
| Zeit $t$ | Konzentration $c(\mathrm{Mg^{2+}})$ |
|---|---|
| $0\,\mathrm{s}$ | $0\,\mathrm{mmol/L}$ |
| $20\,\mathrm{s}$ | $15\,\mathrm{mmol/L}$ |
| $40\,\mathrm{s}$ | $25\,\mathrm{mmol/L}$ |
Zwischen $20$ und $40\,\mathrm{s}$ gilt:
$$v=\frac{25-15}{40-20}=0{,}5\,\mathrm{mmol/(L\cdot s)}$$
Dieser Wert ist kleiner als der Mittelwert der ersten $40$ Sekunden. Die Produktkonzentration wächst im späteren Abschnitt also langsamer.
Momentane Reaktionsgeschwindigkeit
Die momentane Reaktionsgeschwindigkeit gilt für einen bestimmten Zeitpunkt. Im Konzentrations-Zeit-Diagramm entspricht sie der Steigung der Tangente an die Kurve in diesem Punkt.
Je kürzer das untersuchte Zeitintervall wird, desto besser nähert seine Sekante die Tangente und damit die momentane Geschwindigkeit an.
Warum verändern Temperatur, Konzentration und Oberfläche das Tempo?
Nach dem Kollisionsmodell müssen Teilchen zusammenstoßen, damit sie reagieren können. Nicht jeder Zusammenstoß ist erfolgreich: Die Teilchen müssen genügend Energie besitzen und passend aufeinandertreffen.
Aktivierungsenergie
Die Aktivierungsenergie ist die Energiebarriere, die für eine erfolgreiche Reaktion überwunden werden muss.
Mehr erfolgreiche Kollisionen pro Zeit bedeuten eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit.
- Höhere Temperatur: Die Teilchen bewegen sich energiereicher. Dadurch erreichen mehr Zusammenstöße die Aktivierungsenergie.
- Höhere Eduktkonzentration: Im gleichen Volumen befinden sich mehr Teilchen. Begegnungen und damit mögliche wirksame Kollisionen werden häufiger.
- Höherer Druck bei Gasen: Wird das Volumen verkleinert, liegen die Gasteilchen dichter zusammen und kollidieren häufiger.
- Größere Oberfläche: Ein fein zerteilter Feststoff bietet mehr Kontaktstellen als ein gleich schweres großes Stück.
Frage bei jedem Einfluss: Verändert er die Zahl der Teilchenbegegnungen, die Energie der Zusammenstöße oder die zugängliche Kontaktfläche?
Was bewirkt ein Katalysator?
Ein Katalysator eröffnet einen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie. Dadurch können bei denselben Bedingungen mehr Kollisionen erfolgreich sein und die Reaktion läuft schneller.
Der Katalysator wird dabei nicht dauerhaft verbraucht. Er verändert weder die Energiebilanz der Gesamtreaktion noch den Gleichgewichtszustand; er sorgt lediglich dafür, dass dieser Zustand schneller erreicht werden kann.
Eine stark exotherme Reaktion setzt viel Energie frei. Das bedeutet nicht automatisch, dass sie schnell startet. Eine große Aktivierungsbarriere kann sie unter normalen Bedingungen stark hemmen. Solche Systeme heißen kinetisch gehemmt oder metastabil.
Die Reaktionsenthalpie $\Delta H$ beschreibt den Energieunterschied zwischen Produkten und Edukten:
$$\Delta H=H_{\text{Produkte}}-H_{\text{Edukte}}$$
Bei einer exothermen Reaktion ist $\Delta H<0$. Die Reaktionsenthalpie beschreibt jedoch nicht unmittelbar die Geschwindigkeit. Freigesetzte Wärme kann die Reaktion nur indirekt beschleunigen, wenn dadurch die Temperatur steigt.
Wie planst du eine kontrollierte Messreihe?
Wenn du den Einfluss einer Größe untersuchen willst, darfst du nur diese unabhängige Variable gezielt verändern. Alle anderen Bedingungen bleiben möglichst gleich.
Für eine Untersuchung des Temperatureinflusses gehst du so vor:
- Wähle mehrere Temperaturen als unabhängige Variable.
- Verwende bei jedem Versuch gleiche Stoffmengen, Konzentrationen, Volumina und Oberflächen.
- Lege vor Beginn denselben messbaren Endpunkt fest.
- Starte die Reaktion und Zeitmessung immer auf dieselbe Weise.
- Miss die Zeit bis zum Endpunkt oder erfasse eine Stoffgröße in festen Zeitabständen.
- Wiederhole Messungen und vergleiche die Werte.
Wird immer derselbe Stoffumsatz betrachtet, bedeutet eine kürzere benötigte Zeit eine höhere mittlere Reaktionsgeschwindigkeit.
Du willst prüfen, ob allein die Temperatur die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflusst. Wenn du gleichzeitig die Konzentration erhöhst, kannst du die Ursache einer Veränderung nicht mehr eindeutig bestimmen. Deshalb muss die Konzentration in allen Ansätzen gleich bleiben.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Reaktionsgeschwindigkeit
- Messung
- Konzentrationsänderung pro Zeit
- mittlere Geschwindigkeit als Sekantensteigung
- momentane Geschwindigkeit als Tangentensteigung
- Erklärung
- erfolgreiche Kollisionen
- Aktivierungsenergie
- Einflüsse
- Temperatur
- Konzentration und Gasdruck
- Oberfläche
- Katalysator
- Abgrenzung
- Reaktionsenthalpie bestimmt nicht unmittelbar das Tempo
- kontrollierte Messung verändert nur eine Einflussgröße
- Messung
Abschluss-Check
Du kannst eine Reaktionsgeschwindigkeit nun aus Messwerten bestimmen, ihren Verlauf in einem Diagramm deuten und Änderungen des Reaktionstempos mit erfolgreichen Teilchenkollisionen erklären.