Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsordnung Mindmap

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Zeitgesetze beschreiben, wie die Konzentration der Edukte die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion beeinflusst. Die Reaktionsordnung gibt an, mit welcher Potenz eine Konzentration in das Zeitgesetz eingeht, und wird experimentell bestimmt, nicht aus der Reaktionsgleichung abgeleitet. Die Mindmap ordnet zentrale Begriffe der Kinetik: Geschwindigkeitskonstante, Halbwertszeit, integrierte Zeitgesetze nullter bis zweiter Ordnung, Bestimmungsmethoden sowie die Stoßtheorie und Katalyse als Erklärungsansätze für Reaktionsgeschwindigkeiten.

Warum die Ordnung experimentell bestimmt wird
Die Koeffizienten einer Reaktionsgleichung geben die Stöchiometrie wieder, nicht die Kinetik. Ein Zeitgesetz wie v = k · c(NO₂)² für den Zerfall von Stickstoffdioxid lässt sich nicht aus der Gleichung 2 NO₂ → 2 NO + O₂ ablesen, sondern ergibt sich aus Messungen. Bei Elementarreaktionen stimmen Molekularität und Ordnung oft überein, doch viele Reaktionen verlaufen über mehrere Elementarschritte. Dann bestimmt der langsamste Schritt, der geschwindigkeitsbestimmende Schritt, das Zeitgesetz. Deshalb darf die Ordnung nur über Experimente, etwa die Anfangsgeschwindigkeitsmethode, ermittelt werden.

Integrierte Zeitgesetze und Testgeraden
Aus dem Zeitgesetz lassen sich integrierte Zeitgesetze ableiten, mit denen sich Konzentrationen zu jedem Zeitpunkt berechnen lassen. Bei nullter Ordnung verläuft c gegen die Zeit linear, bei erster Ordnung der natürliche Logarithmus von c, bei zweiter Ordnung der Kehrwert 1/c. Trägt man Messwerte entsprechend auf, zeigt die Gerade die richtige Ordnung. Ein praktisches Merkmal erster Ordnung ist die konstante Halbwertszeit, wie sie vom radioaktiven Zerfall bekannt ist. Bei zweiter Ordnung verdoppelt sich die Halbwertszeit dagegen, wenn die Anfangskonzentration halbiert wird.

Die Geschwindigkeitskonstante k
Die Geschwindigkeitskonstante k verbindet Konzentration und Geschwindigkeit und hängt von Temperatur und Katalysator ab, nicht aber von den Konzentrationen selbst. Ihre Einheit ändert sich mit der Gesamtordnung: Bei erster Ordnung lautet sie s⁻¹, bei zweiter Ordnung L/(mol·s). Nach der Arrhenius-Gleichung steigt k mit der Temperatur exponentiell, weil mehr Teilchen die Aktivierungsenergie überschreiten. Die verbreitete RGT-Regel, wonach eine Temperaturerhöhung um zehn Kelvin die Geschwindigkeit etwa verdoppelt bis verdreifacht, ist eine Faustregel und gilt nicht universell für alle Reaktionen.

Katalysatoren und Reaktionsmechanismen
Ein Katalysator bietet einen alternativen Reaktionsweg mit niedrigerer Aktivierungsenergie und erhöht so die Geschwindigkeit, ohne selbst verbraucht zu werden. Bei der heterogenen Katalyse, etwa in Fahrzeugkatalysatoren mit Platin, laufen die Schritte an der Oberfläche ab; gesättigte Oberflächen können zu Reaktionen nullter Ordnung führen. Bei der homogenen Katalyse, wie der Säurekatalyse der Esterhydrolyse, liegt Katalysator und Reaktionsgemisch in derselben Phase vor. Da Katalysatoren in das Zeitgesetz eingehen können, erklärt ihr Mechanismus oft, warum beobachtete Ordnungen von der Bruttogleichung abweichen.