13.3: Konzentrations- und Ratengesetz

Die Geschwindigkeit einer Reaktion wird durch die Konzentrationen der Reaktanten beeinflusst. Geschwindigkeitsgesetze (Differentialgeschwindigkeitsgesetze) oder Geschwindigkeitsgleichungen sind mathematische Ausdrücke, die den Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion und der Konzentration ihrer Reaktanten beschreiben.

Zum Beispiel kann in einer generischen Reaktion aA + bB ⟶ Produkte, wobei a und b stöchiometrische Koeffizienten sind, das Geschwindigkeitsgesetz wie folgt geschrieben werden:

[A] und [B] stellen die molaren Konzentrationen der Reaktanten dar, und k ist die Geschwindigkeitskonstante, die für eine bestimmte Reaktion bei einer bestimmten Temperatur spezifisch ist.

Die Exponenten m und n sind die Reaktionsordnungen und sind in der Regel positive ganze Zahlen, obwohl sie Brüche, negative oder Null sein können.

Die Geschwindigkeitskonstante k und die Reaktionsordnungen m und n werden experimentell bestimmt, indem beobachtet wird, wie sich die Geschwindigkeit einer Reaktion ändert, wenn sich die Konzentrationen der Reaktanten ändern. Die Geschwindigkeitskonstante k ist unabhängig von den Reaktantenkonzentrationen, variiert aber mit der Temperatur.

Die Reaktionsordnungen in einem Geschwindigkeitsgesetz beschreiben die mathematische Abhängigkeit der Geschwindigkeit von den Reaktantenkonzentrationen. In Anlehnung an das generische Geschwindigkeitsgesetz (Rate = k[A]^m[B]ⁿ) ist die Reaktion m-Ordnung in Bezug auf A und n-Ordnung in Bezug auf B. Wenn z. B. m = 1 und n = 2 ist, ist die Reaktion erste Ordnung in A und zweite Ordnung in B. Die Gesamtreaktionsordnung ist einfach die Summe der Ordnungen für jeden Reaktanten. Für das Beispiel-Ratengesetz hier ist die Reaktion insgesamt dritter Ordnung (1 + 2 = 3).

Ein gängiger experimenteller Ansatz zur Bestimmung von Ratengesetzen ist die Methode der Anfangsraten. Bei dieser Methode werden die Reaktionsgeschwindigkeiten in mehreren experimentellen Versuchen gemessen, die mit unterschiedlichen anfänglichen Reaktantenkonzentrationen durchgeführt werden. Der Vergleich der gemessenen Raten für diese Versuche ermöglicht die Bestimmung der Reaktionsordnungen und anschließend der Geschwindigkeitskonstante, die zusammen zur Formulierung eines Geschwindigkeitsgesetzes verwendet werden.

Geschwindigkeitsgesetze können für einige Reaktanten Bruchordnungen aufweisen, und negative Reaktionsordnungen werden manchmal beobachtet, wenn eine Erhöhung der Konzentration eines Reaktanten zu einer Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit führt. Es ist wichtig zu beachten, dass Geschwindigkeitsgesetze nur durch Experimente bestimmt und nicht zuverlässig durch Reaktionsstöchiometrie vorhergesagt werden.

Die Reaktionsreihenfolge bestimmt das Verhältnis zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und der Konzentration von Reaktanten oder Produkten.

• Bei einer Reaktion nullter Ordnung hat die Konzentration der Reaktanten keinen Einfluss auf die Reaktionsgeschwindigkeit, die durchgehend konstant bleibt.
• Bei einer Reaktion erster Ordnung ist die Reaktionsgeschwindigkeit direkt und linear proportional zur Änderung der Reaktantenkonzentration. Mit abnehmender Reaktantenkonzentration nimmt auch die Reaktionsgeschwindigkeit proportional ab.
• Bei Reaktionen zweiter oder höherer Ordnung ist die Reaktionsgeschwindigkeit proportional zum Exponentialwert der Reaktanten. Daher nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit exponentiell ab, wenn die Reaktion fortschreitet und die Konzentration der Reaktanten abnimmt.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 12.3: Tarifgesetze.