Reaktionsgeschwindigkeit

Manche Reaktionen laufen in Sekundenbruchteilen ab, etwa eine Knallgasexplosion, andere dauern Jahre, wie das Rosten von Eisen. Die Reaktionsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell sich die Konzentration eines Stoffes im Lauf der Zeit ändert. Man misst sie zum Beispiel über das entstehende Gasvolumen, eine Farbänderung oder den Massenverlust eines offenen Gefäßes.

Erklären lässt sich das mit dem Stoßmodell. Teilchen können nur reagieren, wenn sie zusammenstoßen, und zwar mit genügend Energie und in passender Ausrichtung. Mehr Teilchen pro Volumen – also höhere Konzentration – bedeutet mehr Stöße. Eine höhere Temperatur macht die Teilchen schneller, sodass viel mehr Stöße die nötige Aktivierungsenergie erreichen. Als Faustregel verdoppelt bis vervierfacht sich die Geschwindigkeit bei 10 °C Temperaturerhöhung. Fein zerteilte Stoffe bieten eine größere Oberfläche, deshalb brennt Mehlstaub explosionsartig, ein Mehlhaufen dagegen kaum.

Ein typischer Fehler betrifft den Katalysator. Er beschleunigt die Reaktion, indem er einen anderen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie ermöglicht. Er liefert aber keine zusätzliche Energie, wird nicht verbraucht und verändert weder die Lage eines Gleichgewichts noch die Menge des Produkts. Er sorgt nur dafür, dass man schneller ans Ziel kommt.

Konzentration wirkt direkt über die Teilchenzahl: Verdoppelst du die Konzentration eines Edukts, verdoppelt sich meist auch die Zahl der Zusammenstöße pro Sekunde, und die Reaktion läuft schneller ab. Bei manchen Reaktionen ist der Zusammenhang komplizierter und hängt von der Reaktionsordnung ab, die du erst in der Oberstufe genauer kennenlernst.

Temperatur hat gleich zwei Effekte: Erstens bewegen sich die Teilchen schneller und stoßen häufiger zusammen, zweitens – und das ist der stärkere Effekt – haben viel mehr Teilchen genug Energie, um die Aktivierungsenergie zu überwinden. Deshalb reagiert kalte Cola beim Öffnen ruhiger als warme, und Lebensmittel verderben im Kühlschrank deutlich langsamer als bei Zimmertemperatur.

Der Zerteilungsgrad bestimmt, wie viel Oberfläche eines Feststoffs für Stöße zur Verfügung steht. Ein massiver Eisenblock rostet über Jahre, feiner Eisenstaub kann dagegen an der Luft glühen. Katalysatoren schließlich verändern den Reaktionsweg selbst: Sie bieten eine Oberfläche oder ein Zwischenprodukt an, über das die Reaktion mit weniger Energieaufwand abläuft, etwa Platin im Autokatalysator, das Abgase schneller unschädlich macht.

Der häufigste Fehler ist, dem Katalysator eine Erhöhung der Produktmenge zuzuschreiben. Ein Katalysator beschleunigt nur, wie schnell ein Gleichgewicht oder eine vollständige Reaktion erreicht wird, verändert aber nicht, wie viel Produkt am Ende entsteht. Diese Menge hängt allein von den eingesetzten Stoffmengen und, bei Gleichgewichtsreaktionen, von der Gleichgewichtslage ab.

Ein zweiter Fehler ist die Vorstellung, jede Temperaturerhöhung um 10 °C verdopple die Geschwindigkeit exakt. Das ist nur eine Faustregel (RGT-Regel), die für viele, aber nicht für alle Reaktionen ungefähr zutrifft. Der tatsächliche Faktor hängt von der jeweiligen Aktivierungsenergie ab und kann auch deutlich kleiner oder größer als 2 sein.

Ein dritter Fehler ist, das Stoßmodell zu vereinfachen und zu glauben, jeder Zusammenstoß führe zur Reaktion. Tatsächlich führt nur ein winziger Bruchteil aller Stöße wirklich zu einer Reaktion, weil die meisten Teilchen entweder nicht genug Energie mitbringen oder ungünstig zueinander ausgerichtet sind. Genau deshalb laufen selbst schnelle Reaktionen nicht augenblicklich vollständig ab.

Reaktionen, die sehr schnell ablaufen, setzen ihre Energie in kurzer Zeit frei und sind deshalb im Labor besonders vorsichtig zu handhaben. Die Knallgasreaktion aus Wasserstoff und Sauerstoff läuft explosionsartig ab, sobald eine Zündquelle vorhanden ist – deshalb wird sie im Unterricht nur in kleinen Mengen und mit Schutzscheibe demonstriert. Auch feine brennbare Stäube wie Mehl oder Metallpulver bergen wegen ihrer großen Oberfläche ein Explosionsrisiko und dürfen nicht in der Nähe offener Flammen aufgewirbelt werden.

Wer die Reaktionsgeschwindigkeit durch Erhitzen erhöht, muss zusätzlich auf den entstehenden Druck achten, besonders in geschlossenen Gefäßen: Gase dehnen sich bei Erwärmung aus, und ein verschlossenes Gefäß kann bersten. Reagenzgläser werden deshalb beim Erhitzen mit der Öffnung schräg von Personen weggehalten und nie vollständig verschlossen erhitzt.

Katalysatoren wie Braunstein oder Platin werden in der Schule oft zur sicheren Demonstration eingesetzt, etwa bei der Zersetzung von Wasserstoffperoxid: Statt einer langsamen, kaum sichtbaren Reaktion entsteht durch den Katalysator sichtbar und kontrolliert Sauerstoffgas, ohne dass gefährlich hohe Temperaturen nötig wären.