Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell Edukte zu Produkten umgesetzt werden. Sie wird in mol/(l·s) gemessen und hängt von mehreren Faktoren ab.
Konzentration: Eine höhere Konzentration der Reaktanden bedeutet mehr Teilchen pro Volumen und damit mehr Stöße pro Zeiteinheit. Die Geschwindigkeitsgleichung für eine einfache Reaktion $aA + bB \rightarrow cC$ lautet: $v = k \cdot [A]^m \cdot [B]^n$, wobei $k$ die Geschwindigkeitskonstante ist und $m, n$ die Reaktionsordnungen (experimentell bestimmt, nicht zwingend die stöchiometrischen Koeffizienten).
Temperatur: Höhere Temperatur bedeutet höhere kinetische Energie der Teilchen — mehr Stöße mit ausreichender Energie zur Überwindung der Aktivierungsenergie. Die Arrhenius-Gleichung $k = A \cdot e^{-E_A/(RT)}$ quantifiziert diesen Zusammenhang. Als Faustregel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 K verdoppelt etwa die Reaktionsgeschwindigkeit ($RGT-Regel$).
Oberfläche (bei Feststoffen): Größere Oberfläche ermöglicht mehr Kontaktstellen. Pulver reagiert schneller als ein Block desselben Materials. In der Industrie werden Reaktanden deshalb oft fein gemahlen oder als Sprühreaktoren eingesetzt.
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Katalysatoren senken die Aktivierungsenergie und erhöhen die Geschwindigkeitskonstante $k$, ohne selbst verbraucht zu werden. Biologische Katalysatoren heißen Enzyme und wirken hochspezifisch — jedes Enzym beschleunigt nur eine bestimmte Reaktion.
Die Druck (bei Gasreaktionen) wirkt analog zur Konzentration: Höherer Druck bedeutet höhere Teilchendichte und damit mehr Stöße. Nach dem Prinzip von Le Chatelier verschiebt sich ein chemisches Gleichgewicht bei Druckänderung in Richtung der Seite mit geringerem Stoffmengenanteil (weniger Gasteilchen).
Experimentell bestimmt man die Reaktionsgeschwindigkeit durch Konzentrationsmessungen über die Zeit: Entweder direkt (Titration, Photometrie) oder indirekt (Gasentwicklung, Leitfähigkeit, Farbänderung). Die Halbwertszeit $t_{1/2}$ gibt an, nach welcher Zeit die Hälfte des Ausgangsstoffs umgesetzt ist.
Übungen
Für eine Reaktion $A + B \rightarrow C$ wurde experimentell die Geschwindigkeitsgleichung $v = k \cdot [A]^2 \cdot [B]^1$ bestimmt. Gib die Reaktionsordnung in Bezug auf $A$, in Bezug auf $B$ und die Gesamtordnung an. Wie ändert sich $v$, wenn $[A]$ verdoppelt wird? Wie, wenn $[B]$ halbiert wird?
Eine Reaktion hat bei $300\,\text{K}$ eine Geschwindigkeitskonstante $k_1$. Bei $310\,\text{K}$ verdoppelt sich $k$ (RGT-Regel). Berechne die Aktivierungsenergie $E_A$ mit der Arrhenius-Gleichung in der logarithmierten Form: $\ln\left(\frac{k_2}{k_1}\right) = \frac{E_A}{R} \cdot \left(\frac{1}{T_1} - \frac{1}{T_2}\right)$. ($R = 8,314\,\text{J/(mol·K)}$)
Ein Magnesiumband ($\ce{Mg}$) reagiert mit Salzsäure ($\ce{HCl}$) unter Wasserstoffentwicklung. Nenne drei experimentelle Maßnahmen, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, und begründe jede Maßnahme auf Teilchenebene.
Erkläre den Unterschied zwischen einem Katalysator und einer Temperaturerhöhung als Mittel zur Beschleunigung einer Reaktion. Welche der beiden Methoden verändert die Aktivierungsenergie? Welche hat Einfluss auf die Gleichgewichtslage?
In einem Experiment wird die Konzentration eines Edukts photometrisch über die Zeit verfolgt. Nach $20$ Minuten ist die Hälfte der Ausgangskonzentration umgesetzt. Bestimme die Halbwertszeit $t_{1/2}$. Nach welcher Zeit sind $87,5\,\%$ umgesetzt, wenn es sich um eine Reaktion erster Ordnung handelt?
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