Physikalische Chemie an der Universität Potsdam

In einem Konzentrations-Zeit-Diagramm werden die Konzentrationen auf der Ordinate und die Zeit auf der Abszisse aufgetragen. 

Das Diagramm, kurz auch als c(t)-Diagramm bezeichnet, gibt Rückschlüsse auf die Reaktionsgeschwindigkeit und Reaktionsordnung. 

Reaktionsgeschwindigkeit kann man...

• in einem bestimmten Zeitraum messen (mittlere Reaktionsgeschwindigkeit) oder aber 
• zu einem x-beliebigen Zeitpunkt (Momentangeschwindigkeit) messen
• als Anfangsgeschwindigkeit messen (spezieller Fall der Momentangeschwindigkeit)

Die meisten Reaktionsmechanismen setzen sich aus mehreren Elementarreaktionen zusammen. Eine einzelne Elementarreaktion kann mit anderen Elementarreaktionen sehr komplexe Reaktionsfolgen bilden. Es muss daher zwischen der Reaktionsordnung (Zeitgesetz des makroskopischen Vorgangs) und der Reaktionsmolekularität (der reale Vorgang auf molekularer Ebene) unterschieden werden. 

Es gibt:

• monomolekulare Reaktionen (Umordnung von Bindungen, Atomen und Atomgruppen in einem Molekül)
• bimolekulare Reaktionen (Zusammenstoß von zwei Molekülen oder Atomen) 
• trimolekulare Reaktionen (Zusammenstoß von drei Molekülen oder Atomen)

Stimmt die Elementarreaktion mit der Bruttogleichung überein, so ist die Reaktionsordnung automatisch gegeben. Eine bimolekulare Reaktion ist immer eine Reaktion 2. Ordnung. Der Umkehrschluss gilt nicht, d.h. eine Reaktion 2. Ordnung ist nicht automatisch eine bimolekulare Reaktion! 

Aus einer chemischen Reaktionsgleichung kann nur selten der Reaktionsweg abgelesen werden. Die einzelnen Teilschritte der Reaktion werden Elementarreaktionen oder Elementarschritte genannt. 

Aus ihnen lässt sich der Verlauf einer Reaktion ableiten, sie bestimmen den Reaktionsmechanismus.

Hier handelt es sich um Eliminierungen oder radioaktive Zerfallsprozesse. 

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist linear von der Konzentration des zerfallenden Stoffes abhängig. 

A -> B + C

In diesem Falle reagieren zwei Edukte zu einem oder mehreren Produkten. 

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist abhängig von den Konzentrationen der Ausgangsstoffe. Die meisten bimolekularen Reaktionen in flüssigem oder festem Medium folgen dieser Kinetik.

In diesem Falle reagieren drei Reaktanten zu einem oder mehreren Produkten. 

Eine trimolekulare Reaktion ist sehr selten (rein statistisch ist die Wahrscheinlichkeit sehr gering, dass drei Teilchen zur gleichen Zeit am gleichen Ort sind) und in vielen Fällen wird eine konkurrierende (und dominante) bimolekulare Reaktion beobachtet. Ein Beispiel einer wirklich trimolekularen Reaktion ist die Atomrekombination. 

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist von drei Stoffen abhängig: z.B. 3 A ⟶ A2 + A

Die RGT-Regel (Reaktionsgeschwindigkeit-Temperatur-Regel, auch van-’t-Hoff’sche Regel) ist eine Faustregel die besagt, dass chemische Reaktionen bei einer um 10 K erhöhten Temperatur doppelt bis dreimal so schnell ablaufen. 

Die RGT-Regel wurde von Chemiker van ’t Hoff aufgestellt und 1889 von Svante Arrhenius zur Arrhenius-Gleichung ausgebaut.

RGT-Regel

Die meisten chemischen Reaktionen folgen von ihrer Temperaturabhängigkeit her der Arrhenius-Gleichung, es gibt jedoch auch zahlreiche Ausnahmen. 

Ein anderes Temperaturverhalten besitzen z.B.

• Explosionen, die bei Erreichen einer Zündtemperatur "losgehen"
• Reaktionen mit vorgelagertem Gleichgewicht, dessen Temperaturabhängigkeit berücksichtigt werden muss
• enzymkatalysierte Reaktionen, weil das Enzym in der Hitze zerstört wird

Die Enzymkatalyse nimmt eine Zwischenstellung zwischen homogener und heterogener Katalyse ein. Die meisten enzymkatalysierten Reaktionen laufen nach dem Michaelis-Menten-Mechanismus ab.

Katalysatoren haben keinen Einfluss auf die Gleichgewichtslage der Reaktionen, die sie beschleunigen, da sie nicht in die Gesamtreaktion eingehen.

Man unterscheidet zwischen:

• homogener Katalyse 
• heterogener Katalyse
• Enzymkatalyse
• Autokatalyse

Bei der homogenen Katalyse liegen Katalysator und katalysiertes System in der gleichen Phase vor. 

Bei der heterogenen Katalyse der Katalysator in einem anderen Aggregatzustand befindet als das katalysierte System.

Da der Durchmesser eines Enzyms nur ca. 10 - 100 nm beträgt (zum Vergleich: Durchmesser eines Wassermoleküls: ca. 0,3 nm), nimmt die Enzymkatalyse eine Zwischenstellung zwischen homogener und heterogener Katalyse ein. Bei der Enzymkatalyse tritt das Phänomen der Substratsättigung auf, das für die heterogene Katalyse charakteristisch ist, während es bei der homogenen Katalyse nicht zu beobachten ist. Deshalb wird die Enzymkatalyse manchmal auch als mikroheterogene Katalyse bezeichnet.

Wird eine Reaktion durch eines ihrer Produkte katalysiert, so spricht man von Autokatalyse.