2.7 : Geschwindigkeitsgesetz und Reaktionsordnung

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

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

Geschwindigkeit = k[A]^m[B]^n

[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 typischerweise positive ganze Zahlen, können aber auch Brüche, negative Werte oder Null sein.

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 jedoch mit der Temperatur.

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

Ein üblicher experimenteller Ansatz zur Bestimmung von Geschwindigkeitsgesetzen ist die Methode der Anfangsgeschwindigkeiten. Bei dieser Methode werden Reaktionsgeschwindigkeiten für mehrere experimentelle Versuche gemessen, die mit unterschiedlichen anfänglichen Reaktantenkonzentrationen durchgeführt werden. Der Vergleich der gemessenen Geschwindigkeiten dieser Versuche ermöglicht die Bestimmung der Reaktionsordnungen und anschließend der Geschwindigkeitskonstanten, die zusammen zur Formulierung eines Geschwindigkeitsgesetzes verwendet werden.

Geschwindigkeitsgesetze können für einige Reaktanten gebrochene Ordnungen 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 werden und nicht zuverlässig durch die Reaktionsstöchiometrie vorhergesagt werden können.

Die Reaktionsreihenfolge bestimmt den Zusammenhang zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und der Konzentration der Reaktanten oder Produkte.

• 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 mit fortschreitender Reaktion und abnehmender Konzentration der Reaktanten exponentiell ab.

Dieser Text wurde angepasst vonOpenstax, Chemistry 2e, Section 12.3: Rate Laws.