Reaktionsgeschwindigkeitsgesetze

Reaktionsgeschwindigkeitsgesetze beschreiben den Zusammenhang zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und den Konzentrationen der Reaktanten. In der Praxis wird die Geschwindigkeit oft durch ein Rategesetz ausgedrückt: v = k [A]^n [B]^m, wobei k die Geschwindigkeitskonstante ist und n, m die Reaktionsordnungen darstellen. Die Gesamtheitsordnung p = n + m gibt an, wie empfindlich die Geschwindigkeit auf Konzentrationsänderungen reagiert. Die Werte von n und m werden experimentell bestimmt und müssen nicht mit den stöchiometrischen Koeffizienten der Reaktion übereinstimmen.

Für elementare Reaktionen stimmen die Exponenten häufig mit den stöchiometrischen Koeffizienten überein. Bei komplexen Reaktionen hängt die beobachtete Rate vom Mechanismus ab, insbesondere von der Ratenbestimmenden Schritt. Unter bestimmten Bedingungen, z. B. in Überfluss von B, kann man eine pseudo-erste Ordnung verwenden, bei der v ≈ k'[A]^n gilt, wobei k' von B abhängt.

Die Temperatur beeinflusst die Geschwindigkeit über die Abhängigkeit der Geschwindigkeitskonstanten k. Die Arrhenius-Gleichung k = A exp(-Ea/(RT)) beschreibt diesen Zusammenhang, mit Aktivierungsenergie Ea und Frequenzfaktor A.

Beispiele gängiger Integrationsformen: Nullte Ordnung v = k führt zu [A]t = [A]0 − kt; Erste Ordnung führt zu ln[A]t = ln[A]0 − kt; Zweite Ordnung (z. B. 2A → Produkte) ergibt 1/[A]t = 1/[A]0 + kt. Die Bestimmung von Reaktionsordnungen erfolgt typischerweise durch Messung der Anfangsraten oder durch Datenanpassung.

Rategesetze sind zentral für Kinetik, Reaktionsdesign und Katalyse, aber sie gelten nur unter definierten Bedingungen.