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Die Geschwindigkeit chemischer Reaktionen

Geschwindigkeit - Faktoren - Messung - Konzentration - VD - VM - Methoden - Thiosulfat - Reaktionsordnung - Temperatur

Sieben chemische Reaktionen im Vergleich

  1. Explosion von Dynamit
  2. Aufblasen eines Airbags
  3. Neutralisation von Salzsäure
  4. Backen eines Kuchens
  5. Rosten von Eisen
  6. Umsetzung von Salzsäure mit Magnesium
  7. Umsetzung von Eisen mit Schwefel

Wenn Leute den Begriff "chemische Reaktion" hören, denken die meisten zunächst an eine Explosion (Reaktion 1 und 2), weil hier sehr viel Energie in sehr kurzer Zeit freigesetzt wird. In Wirklichkeit verlaufen die meisten chemischen Reaktionen langsamer (Reaktion 3, 6 und 7) oder sogar unmerklich langsam (Reaktion 5).

Um meinen Schülern klar zu machen, dass Geschwindigkeit und Energiefreisetzung einer Reaktion nicht unbedingt im Zusammenhang stehen, zeige ich ihnen immer folgende Abbildung:

Zwei exotherme Reaktionen im Vergleich

Dann stelle ich die "hinterlistige" Frage: "Welche der beiden abgebildeten Reaktionen läuft schneller ab, die linke oder die rechte?"

In über 90% der Fälle bekomme ich die Antwort: "Ganz klar, die rechte Reaktion läuft viel schneller ab als die linke". Wenn ich dann nachfrage, warum das so ist, gibt es immer einige besonders gute Leute, die das sogar begründen können: "Bei der rechten Reaktion wird sehr viel mehr Energie freigesetzt als bei der linken, also muss sie doch schneller ablaufen".

Leider ist diese Antwort völlig falsch! Beide Reaktionen laufen mit exakt der gleichen Geschwindigkeit ab. Natürlich ist die rechte Reaktion heftiger als die linke, denn die Reaktionsenergie ist sehr viel größer. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist aber gleich.

Leider leuchtet diese Antwort nicht jedermann und jederfrau ein, darum zeige ich als Nächstes das folgende Bild und stelle die gleiche Frage noch einmal: "Welche der beiden abgebildeten Reaktionen läuft schneller ab, die linke oder die rechte?"

Zwei andere exotherme Reaktionen im Vergleich

Das linke Diagramm könnte beispielsweise für die Neutralisation von Salzsäure HCl mit Natronlauge NaOH stehen, das rechte für die Reaktion von Schwarzpulver.

Die richtige Antwort auf die Frage ist: Die linke Reaktion verläuft schneller. Die Reaktion von Schwarzpulver ist zwar sehr exotherm, und wenn die Reaktion erst einmal gestartet ist, verläuft sie auch ziemlich schnell. Aber es dauert einige Sekunden, bis man die ersten Funken sieht, wenn man die Flamme des Bunsenbrenners auf den Schwarzpulverhaufen richtet. Die Neutralisation beginnt dagegen sofort mit dem Hineinschütten der Lauge in die Säure; man muss hier nicht erst ein oder zwei Sekunden warten.

Der Schlüsselbegriff, den wir zur Erklärung dieses Phänomens brauchen, heißt Aktivierungsenergie. In der Zeichnung oben stehen die beiden roten Pfeile für diese Aktivierungsenergie.

Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion hängt von ihrer Aktivierungsenergie ab. Je geringer die Aktivierungsenergie, desto schneller verläuft die Reaktion.

Manchmal liest man in der Fachliteratur auch von einem "Energieberg", der überwunden werden muss. Je höher dieser Energieberg (also die Aktivierungsenergie), desto langsamer verläuft die chemische Reaktion.

Nachdem wir diesen wichtigen Zusammenhang hergestellt haben, stellen sich drei wichtige Fragen:

  1. Was versteht man genau unter dem Begriff Reaktionsgeschwindigkeit?
  2. Von welchen Faktoren hängt die Reaktionsgeschwindigkeit nun genau ab?
  3. Wie kann man die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion möglichst genau messen?