Faktoren, die die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen | Einführung in die Chemie

Lernziel

Erklären Sie, wie Konzentration, Oberfläche, Druck, Temperatur und die Zugabe von Katalysatoren die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflussen

Schlüsselpunkte

Wenn die Konzentrationen der Reaktanden erhöht werden, läuft die Reaktion schneller ab. Das liegt daran, dass die Anzahl der Moleküle zunimmt, die die minimal erforderliche Energie haben. Bei Gasen hat die Erhöhung des Drucks die gleiche Wirkung wie die Erhöhung der Konzentration.
Wenn Feststoffe und Flüssigkeiten reagieren, erhöht eine Vergrößerung der Oberfläche des Feststoffs die Reaktionsgeschwindigkeit. Eine Verringerung der Partikelgröße bewirkt eine Vergrößerung der Gesamtoberfläche des Festkörpers.
Eine Erhöhung der Reaktionstemperatur um 10 °C kann die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppeln oder verdreifachen. Dies ist auf eine Erhöhung der Anzahl der Teilchen zurückzuführen, die die erforderliche Mindestenergie haben. Die Reaktionsgeschwindigkeit nimmt mit sinkender Temperatur ab.
Katalysatoren können die Aktivierungsenergie senken und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, ohne bei der Reaktion verbraucht zu werden.
Unterschiede in den Eigenstrukturen der Reaktanten können zu Unterschieden in der Reaktionsgeschwindigkeit führen. Moleküle, die durch stärkere Bindungen verbunden sind, haben niedrigere Reaktionsgeschwindigkeiten als Moleküle, die durch schwächere Bindungen verbunden sind, da mehr Energie benötigt wird, um die stärkeren Bindungen zu brechen.

Begriffe

KatalysatorEine Substanz, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei verbraucht zu werden.
AktivierungsenergieDie minimale Energiemenge, die Moleküle haben müssen, damit eine Reaktion beim Zusammenstoß stattfindet.

Reaktantenkonzentrationen

Erhöht man die Konzentrationen der Reaktanten, läuft die Reaktion schneller ab. Damit eine chemische Reaktion abläuft, muss eine bestimmte Anzahl von Molekülen vorhanden sein, deren Energie gleich oder größer als die Aktivierungsenergie ist. Mit zunehmender Konzentration steigt die Anzahl der Moleküle mit der erforderlichen Mindestenergie und damit die Geschwindigkeit der Reaktion. Wenn zum Beispiel eines von einer Million Teilchen eine ausreichende Aktivierungsenergie hat, dann werden von 100 Millionen Teilchen nur 100 reagieren. Wenn Sie jedoch 200 Millionen dieser Teilchen im gleichen Volumen haben, dann reagieren 200 von ihnen. Durch die Verdopplung der Konzentration hat sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt.

Interaktiv: Konzentration und ReaktionsgeschwindigkeitIn diesem Modell können zwei Atome eine Bindung eingehen, um ein Molekül zu bilden. Experimentieren Sie mit der Änderung der Konzentration der Atome, um zu sehen, wie sich dies auf die Reaktionsgeschwindigkeit auswirkt.

Oberfläche

Bei einer Reaktion zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit hat die Oberfläche des Festkörpers letztlich einen Einfluss darauf, wie schnell die Reaktion abläuft. Das liegt daran, dass die Flüssigkeit und der Festkörper nur an der Flüssigkeits-Festkörper-Grenzfläche, also an der Oberfläche des Festkörpers, aneinander stoßen können. Die Feststoffmoleküle, die im Körper des Festkörpers eingeschlossen sind, können nicht reagieren. Daher werden durch eine Vergrößerung der Oberfläche des Festkörpers mehr Festkörpermoleküle der Flüssigkeit ausgesetzt, was eine schnellere Reaktion ermöglicht.

Betrachten Sie zum Beispiel einen 6 x 6 x 2 Zoll großen Ziegelstein. Die Fläche der freiliegenden Oberflächen des Ziegels ist 4(6 mal 2)+2(6 mal 6)=120 cm^2. Wenn der Ziegelstein jedoch in neun kleinere Würfel zerlegt wird, hat jeder Würfel eine Oberfläche von 6(2 \mal 2) = 24\ cm^2, so dass die Gesamtoberfläche der neun Würfel 9 \mal 24 = 216\ cm^2 beträgt.

Dies zeigt, dass die gesamte freiliegende Oberfläche zunimmt, wenn ein größerer Körper in kleinere Teile zerlegt wird. Da eine Reaktion an der Oberfläche eines Stoffes stattfindet, sollte eine Vergrößerung der Oberfläche die Menge des Stoffes erhöhen, die für eine Reaktion zur Verfügung steht, und damit auch die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen.

Oberflächen kleinerer Moleküle im Vergleich zu größeren MolekülenDieses Bild zeigt, wie die Zerlegung eines Ziegelsteins in kleinere Würfel eine Vergrößerung der Gesamtoberfläche bewirkt.

Druck

Erhöht man den Druck bei einer Reaktion, an der Gase beteiligt sind, erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit. Erhöht man den Druck eines Gases, so verringert sich sein Volumen (PV=nRT; P und V stehen in umgekehrter Beziehung), während die Anzahl der Teilchen (n) unverändert bleibt. Daher erhöht sich mit steigendem Druck die Konzentration des Gases (n/V) und sorgt dafür, dass die Gasmoleküle häufiger zusammenstoßen. Beachten Sie, dass diese Logik nur für Gase funktioniert, die stark komprimierbar sind; eine Änderung des Drucks für eine Reaktion, an der nur Feststoffe oder Flüssigkeiten beteiligt sind, hat keine Auswirkung auf die Reaktionsgeschwindigkeit.

Temperatur

Es wurde experimentell beobachtet, dass ein Anstieg der Temperatur um 10 °C normalerweise die Geschwindigkeit einer Reaktion zwischen Molekülen verdoppelt oder verdreifacht. Die für den Ablauf einer Reaktion erforderliche Mindestenergie, die so genannte Aktivierungsenergie, bleibt mit steigender Temperatur gleich. Die durchschnittliche Zunahme der kinetischen Energie der Teilchen, die durch die absorbierte Wärme verursacht wird, bedeutet jedoch, dass ein größerer Anteil der Reaktionsmoleküle nun die erforderliche Mindestenergie hat, um zusammenzustoßen und zu reagieren. Eine Temperaturerhöhung bewirkt einen Anstieg der Energieniveaus der an der Reaktion beteiligten Moleküle, so dass die Reaktionsgeschwindigkeit steigt. In ähnlicher Weise sinkt die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Abnahme der Temperatur.

Interaktiv: Temperatur und ReaktionsgeschwindigkeitErforschen Sie die Rolle der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Hinweis: In diesem Modell wird die durch die Reaktion selbst erzeugte Wärme entfernt und die Temperatur konstant gehalten, um die Auswirkung der Umgebungstemperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit zu isolieren.

Anwesenheit oder Abwesenheit eines Katalysators

Katalysatoren sind Substanzen, die die Reaktionsgeschwindigkeit erhöhen, indem sie die für die Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie senken. Ein Katalysator wird während einer Reaktion nicht zerstört oder verändert, so dass er wieder verwendet werden kann. Zum Beispiel verbinden sich H2 und O2 unter normalen Bedingungen nicht. Sie verbinden sich jedoch in Gegenwart einer kleinen Menge Platin, das als Katalysator wirkt, und die Reaktion läuft dann schnell ab.

Natur der Reaktanten

Stoffe unterscheiden sich deutlich in den Geschwindigkeiten, mit denen sie sich chemisch verändern. Die Unterschiede in der Reaktivität zwischen den Reaktionen können auf die unterschiedlichen Strukturen der beteiligten Stoffe zurückgeführt werden; so spielt es zum Beispiel eine Rolle, ob sich die Stoffe in Lösung oder im festen Zustand befinden. Ein weiterer Faktor hat mit den relativen Bindungsstärken innerhalb der Moleküle der Reaktanten zu tun. Eine Reaktion zwischen Molekülen mit Atomen, die durch starke kovalente Bindungen gebunden sind, läuft beispielsweise langsamer ab als eine Reaktion zwischen Molekülen mit Atomen, die durch schwache kovalente Bindungen gebunden sind. Dies liegt daran, dass es mehr Energie benötigt, um die Bindungen der stark gebundenen Moleküle zu brechen.

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