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Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion

Die Reaktionsgeschwindigkeit sagt, wie schnell ein Ausgangsstoff verbraucht oder ein Produkt gebildet wird, pro Zeiteinheit. Rate = −Δ[R]/Δt = +Δ[P]/Δt (Einheit mol L⁻¹ s⁻¹). Das Geschwindigkeitsgesetz rate = k[A]^x[B]^y wird durch Experimente gefunden; x + y ist die Ordnung. Die Molekularität ist die Zahl der Teilchen, die in einem Elementarschritt zusammenstoßen.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Die roten Kugeln sind der Ausgangsstoff R. In jedem Moment werden einige zu blauem Produkt P. Im Diagramm sinkt [R] und [P] steigt.
  2. Wähle zwei Zeitpunkte. Die gelbe gerade Linie zwischen ihnen hat eine Steigung. Minus diese Steigung ist die mittlere Rate: −Δ[R] ÷ Δt.
  3. Schau jetzt nur auf einen Moment. Die grüne Tangente berührt die Kurve genau dort. Ihre Steigung gibt die momentane Rate. Sie wird kleiner, wenn der Ausgangsstoff aufgebraucht wird.
  4. Bewege die Regler. Mehr Konzentration oder höhere Temperatur bedeutet mehr Zusammenstöße pro Sekunde, also fällt die Kurve schneller.
  5. Verdopple [A] und beobachte den Balken der Rate. Bleibt die Rate gleich, ist die Ordnung in A gleich 0. Verdoppelt sie sich, ist sie 1. Wird sie 4-mal so groß, ist sie 2.
  6. Die Molekularität zählt die Teilchen, die sich in einem Schritt treffen: 1, 2 oder 3. Wähle eine aus und sieh die Zusammenstöße. Dann ändere frei, was du willst.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Warum wird die Reaktion im Laufe der Zeit langsamer?

Es sind weniger Teilchen des Ausgangsstoffs übrig, also stoßen sie seltener zusammen. Die Kurve wird flacher und die Steigung der Tangente kleiner.

Warum unterscheidet sich die mittlere Rate von der momentanen Rate?

Die mittlere Rate glättet die ganze Zeitspanne zu einer geraden Linie; die momentane Rate ist die Steilheit an einem Punkt. Bei einer Kurve stimmen sie nur überein, wenn die Spanne winzig ist.

Warum beschleunigt Erhitzen eine Reaktion so stark?

Die Teilchen bewegen sich schneller, stoßen häufiger zusammen und viel mehr von ihnen haben genug Energie zum Reagieren. Die Kurve im 3D fällt schneller, wenn du die Temperatur erhöhst.

Wenn die Gleichung A + 2B → C lautet, ist die Ordnung in B dann 2?

Nicht unbedingt. Die Ordnung kommt aus dem Experiment. Nur bei einem Elementarschritt stimmen die Exponenten mit den Koeffizienten überein.

Warum sind termolekulare Reaktionen selten?

Drei Teilchen müssen im selben Augenblick am selben Ort mit der richtigen Energie und Richtung ankommen. Das ist viel unwahrscheinlicher als das Treffen von zwei Teilchen.

Warum wird der Ausgangsstoff nur nach und nach zum Produkt?

Nur die Zusammenstöße mit genug Energie und der richtigen Richtung führen zu einer Änderung. In jedem Moment haben nur einige Teilchen dieses Glück.

Was ist die Geschwindigkeit einer Reaktion?

Geschwindigkeit heißt wie schnell. Bei einer Reaktion R → P ist die Rate die Änderung der Konzentration in einer Zeiteinheit. Die Konzentration schreibt man in eckigen Klammern, zum Beispiel [R], in mol L⁻¹.

Der Ausgangsstoff wird verbraucht, also ist Δ[R] negativ. Wir setzen ein Minuszeichen, damit die Rate immer positiv ist:

Rate = −Δ[R]/Δt = +Δ[P]/Δt

Die Einheit ist mol L⁻¹ s⁻¹. Bei Gasen kann man auch atm s⁻¹ verwenden.

Mittlere und momentane Rate

Die mittlere Rate ist die Rate über eine Zeitspanne. Im [R]–t-Diagramm verbindest du zwei Punkte mit einer Geraden (Sekante). Minus ihre Steigung ist die mittlere Rate.

Die momentane Rate ist die Rate in einem genauen Moment. Zeichne dort eine Tangente (eine Linie, die die Kurve nur berührt). Minus ihre Steigung ist die momentane Rate: r = −d[R]/dt.

Die Kurve wird mit der Zeit flacher, also sinkt die momentane Rate immer weiter, während der Ausgangsstoff verbraucht wird.

Rate bei mehreren Stoffen (Stöchiometrie)

Wenn die Zahlen in der ausgeglichenen Gleichung nicht 1 sind, teile jede Änderung durch ihre Zahl. Für 2HI → H₂ + I₂:

Rate = −½ Δ[HI]/Δt = Δ[H₂]/Δt = Δ[I₂]/Δt

HI verschwindet also doppelt so schnell, wie H₂ entsteht, aber die Reaktion hat nur eine Rate.

Faktoren, die die Rate verändern

Geschwindigkeitsgesetz und Geschwindigkeitskonstante

Für aA + bB → Produkte liefern Experimente das Geschwindigkeitsgesetz:

Rate = k [A]^x [B]^y

x und y kommen aus dem Experiment. Sie können gleich a und b sein, müssen es aber nicht. k ist die Geschwindigkeitskonstante: die Rate, wenn jede Konzentration 1 mol L⁻¹ beträgt. k ändert sich mit der Temperatur, aber nicht mit der Konzentration.

Einheit von k = (mol L⁻¹)^(1−n) s⁻¹, wobei n die Ordnung ist. Nullte Ordnung: mol L⁻¹ s⁻¹. Erste Ordnung: s⁻¹. Zweite Ordnung: L mol⁻¹ s⁻¹.

Ordnung einer Reaktion

Ordnung = die Summe der Exponenten im Geschwindigkeitsgesetz, x + y. Sie kann 0, 1, 2, 3 oder sogar ein Bruch sein. Man findet sie nur durch Experimente.

Test: Verdopple [A] und halte die anderen Größen fest. Rate gleich → Ordnung 0 in A; Rate ×2 → Ordnung 1; Rate ×4 → Ordnung 2.

Pseudo-erste Ordnung: Wenn ein Ausgangsstoff in riesigem Überschuss vorliegt (wie Wasser bei der Hydrolyse eines Esters oder von Zucker), ändert sich seine Konzentration kaum. Eine Reaktion zweiter Ordnung verhält sich dann wie erster Ordnung.

Molekularität und Elementarschritte

Eine Elementarreaktion läuft in einem einzigen Schritt ab. Viele Reaktionen sind komplex: Sie laufen in mehreren Schritten ab (der Mechanismus).

Die Molekularität ist die Zahl der Teilchen, die in einem Elementarschritt gleichzeitig zusammenstoßen müssen: unimolekular (1), bimolekular (2), termolekular (3). Sie ist immer eine ganze Zahl und nie null. Mehr als 3 ist fast unmöglich, weil sich so viele Teilchen selten gleichzeitig treffen.

Bei einer komplexen Reaktion bestimmt der langsamste Schritt (der geschwindigkeitsbestimmende Schritt) die Gesamtrate.

OrdnungMolekularität
Aus dem ExperimentAus dem Mechanismus (Theorie)
Kann 0 oder ein Bruch seinGanze Zahl 1, 2, 3; nie 0
Für die gesamte ReaktionNur für jeden Elementarschritt

Probier es zu Hause aus

Nimm zwei Gläser Wasser, eines kalt und eines warm. Gib in beide gleichzeitig eine halbe Brausetablette (oder einen Löffel Natron mit Zitronensaft). Zähle die Sekunden, bis das Sprudeln aufhört. Das warme Glas gewinnt: Temperatur erhöht die Rate. Probiere nun eine zerdrückte Tablette gegen eine ganze: mehr Oberfläche, schnellere Rate. Sage im 3D zuerst voraus und bewege dann den Regler zur Kontrolle.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Bei R → P sinkt [R] in 20 s von 0.80 mol/L auf 0.50 mol/L. Berechne die mittlere Rate.

Δ[R] = 0.50 − 0.80 = −0.30 mol/L. Mittlere Rate = −Δ[R]/Δt = 0.30/20 = 0.015 mol L⁻¹ s⁻¹.

2. Bei 2N₂O₅ → 4NO₂ + O₂ verschwindet N₂O₅ mit 0.02 mol L⁻¹ s⁻¹. Berechne die Bildungsrate von NO₂ und O₂ und die Rate der Reaktion.

Rate der Reaktion = ½ × 0.02 = 0.01 mol L⁻¹ s⁻¹. NO₂ entsteht mit 4 × 0.01 = 0.04 mol L⁻¹ s⁻¹. O₂ entsteht mit 1 × 0.01 = 0.01 mol L⁻¹ s⁻¹.

3. Rate = k[A][B]². Welche Ordnung hat die Reaktion in A, in B und insgesamt?

Ordnung in A = 1, Ordnung in B = 2, Gesamtordnung = 1 + 2 = 3.

4. Finde die Einheit von k für eine Reaktion zweiter Ordnung (Konzentration in mol/L, Zeit in s).

Einheit = (mol L⁻¹)^(1−2) s⁻¹ = (mol L⁻¹)⁻¹ s⁻¹ = L mol⁻¹ s⁻¹.

5. Rate = k[A]². Wenn [A] verdreifacht wird, wie ändert sich die Rate?

Neue Rate = k(3[A])² = 9k[A]². Die Rate wird 9-mal so groß.

6. Daten für A + B → Produkte: [A]=0.1,[B]=0.1 → Rate 2×10⁻³; [A]=0.2,[B]=0.1 → 4×10⁻³; [A]=0.1,[B]=0.2 → 8×10⁻³ (mol L⁻¹ s⁻¹). Finde das Geschwindigkeitsgesetz und k.

A verdoppelt (Zeilen 1→2): Rate ×2, also Ordnung in A = 1. B verdoppelt (Zeilen 1→3): Rate ×4, also Ordnung in B = 2. Rate = k[A][B]². k = 2×10⁻³ / (0.1 × 0.1²) = 2×10⁻³ / 10⁻³ = 2 L² mol⁻² s⁻¹.

7. Der Mechanismus von 2NO + O₂ → 2NO₂ ist: (1) 2NO ⇌ N₂O₂ (schnell), (2) N₂O₂ + O₂ → 2NO₂ (langsam). Welche Molekularität hat jeder Schritt?

In Schritt 1 stoßen 2 NO-Moleküle zusammen: bimolekular. In Schritt 2 reagieren N₂O₂ und O₂: ebenfalls bimolekular. Der langsame Schritt 2 bestimmt die Rate.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Die Einheit der Reaktionsgeschwindigkeit ist:
2. Die momentane Rate findet man aus der:
3. Bei rate = k[A]^0 macht eine Verdopplung von [A] die Rate:
4. Die Molekularität kann NICHT sein:
5. Die Einheit von k bei einer Reaktion erster Ordnung ist:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Reaktionsgeschwindigkeit in einfachen Worten?

Sie sagt, wie viel Ausgangsstoff pro Sekunde verbraucht oder wie viel Produkt pro Sekunde gebildet wird, gemessen in mol L⁻¹ s⁻¹.

Was ist der Unterschied zwischen Ordnung und Molekularität?

Die Ordnung wird durch Experimente gefunden und kann 0 oder ein Bruch sein. Die Molekularität ist die Zahl der Teilchen, die in einem Elementarschritt zusammenstoßen, und ist immer 1, 2 oder 3.

Wie findet man die Einheit der Geschwindigkeitskonstante?

Nutze (mol L⁻¹)^(1−n) s⁻¹, wobei n die Gesamtordnung ist.

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