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Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen reagiert empfindlich auf Temperaturänderungen. Ein Anstieg um 10 °C kann die Reaktionsgeschwindigkeit um das 3- bis 4-fache beschleunigen, aber warum?
Das Gesetz der Geschwindigkeit einer Reaktion definiert die Beziehung zwischen einer Reaktantenkonzentration und der Reaktionsgeschwindigkeit. Da die Konzentration temperaturunabhängig ist, bleibt nur die Geschwindigkeitskonstante übrig, um die Reaktionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur zu beeinflussen. So kam der schwedische Chemiker Svante Arrhenius 1889 zu dem Schluss, dass die Temperaturabhängigkeit einer Reaktionsgeschwindigkeit in der Geschwindigkeitskonstante enthalten ist.
Die Geschwindigkeitskonstante beschreibt über die Arrhenius-Gleichung die Beziehung zwischen Temperatur und kinetischen Parametern in Bezug auf die Kollisions-, Orientierungs- und Aktivierungsenergie reagierender Moleküle. A ist eine Konstante, die als Arrhenius-Faktor oder Frequenzfaktor bezeichnet wird, e ist ein exponentieller Faktor, der die in Joule pro Mol gemessene Aktivierungsenergie, die Gaskonstante und die Temperatur in Kelvin integriert.
Die Temperaturabhängigkeit der Parameter kann mit dem Kollisionsmodell erklärt werden, das besagt, dass reagierende Moleküle mit ausreichender Energie in der richtigen Ausrichtung kollidieren sollten, um eine chemische Reaktion auszulösen.
Der Frequenzfaktor besteht aus zwei Komponenten: der Kollisionsfrequenz und dem Orientierungsfaktor. Die Kollisionshäufigkeit ist die Anzahl der molekularen Kollisionen pro Zeiteinheit, während der Orientierungsfaktor die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen mit günstiger Orientierung beschreibt.
Dennoch führt nur ein kleiner Bruchteil der Kollisionen zu einer Reaktion. Dies liegt daran, dass die reagierenden Moleküle eine Energiebarriere, die sogenannte Aktivierungsenergie, überwinden müssen, um sich in Produkte umzuwandeln.
Nur die Moleküle, die mit ausreichender kinetischer Energie kollidieren, haben genügend potentielle Energie, um Bindungen zu biegen, zu dehnen oder zu brechen, um sich in ein hochenergetisches Zwischenprodukt umzuwandeln, das als Übergangszustand oder aktivierter Komplex bezeichnet wird. Der kurzlebige, instabile aktivierte Komplex verliert Energie und bildet stabile Produkte, deren Gesamtenergie geringer ist als die der Reaktanten.
Der Exponentialfaktor in der Arrhenius-Gleichung stellt den Anteil der erfolgreichen Kollisionen dar, die zu Produkten führen. Ein Temperaturanstieg beeinflusst sowohl den Frequenzfaktor als auch den Exponentialfaktor.
Bei erhöhten Temperaturen bewegen sich Moleküle schneller, kraftvoller und mit höheren thermischen Energien, was zu günstigeren Kollisionen führt.
Ein Temperaturanstieg führt also zu einer höheren Frequenz und exponentiellen Faktoren, die zu einem Anstieg der Geschwindigkeitskonstante führen, was sich folglich in einer beschleunigten Reaktionsgeschwindigkeit niederschlägt.
Die Kollisionstheorie
Atome, Moleküle oder Ionen müssen kollidieren, bevor sie miteinander reagieren können. Um chemische Bindungen einzugehen, müssen…
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