Reaktionskinetik

Reaktionskinetik befasst sich mit der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und dem Zusammenhang zwischen Reaktionsgeschwindigkeit, Konzentrationen der Reaktanten sowie äußeren Bedingungen. Ziel ist es, zeitliche Verläufe der Konzentrationen zu beschreiben und Mechanismen zu verstehen, nach denen Reaktanten in Produkte überführt werden.

Die Reaktionsgeschwindigkeit lässt sich häufig durch ein Rategesetz beschreiben: v = k [A]^m [B]^n, wobei m und n die Reaktionsordnungen in Bezug auf A bzw. B sind und k die Geschwindigkeitskonstante. Gesamtordnung m+n bestimmt die Abhängigkeit von der Konzentration der Reaktanten. Experimentell bestimmt man die Ordnung oft mittels der Anfangsrate, durch integrierte Rategesetze oder durch Messung der Halbwertszeit. Pseudo-erstes Ordnung erscheint, wenn eine Komponente in großer Überkonzentration vorhanden ist und somit v vereinfacht wird.

Die Temperaturabhängigkeit der Reaktionsrate wird durch das Arrheniusgesetz beschrieben: k = A exp(-Ea/RT). Dabei ist Ea die Aktivierungsenergie, R die Gaskonstante und T die Temperatur. Ein Anstieg der Temperatur erhöht die Geschwindigkeit oft deutlich. Katalysatoren senken Ea oder ermöglichen alternative Reaktionswege, ohne dass sich der Endzustand ändert.

Viele Reaktionen laufen über mehrere Schritte. Die beobachtete Geschwindigkeit wird durch den langsamsten Schritt bestimmt (Ratenbestimmender Schritt). Bei komplexen Mechanismen helfen Näherungen wie die schnelle Gleichgewichtsanahme oder die ständige Zustandannahme, um die Gleichungen zu lösen und Relationen wie die Arrhenius-Beziehung abzuleiten.

Experimentell werden Methoden wie die Messung der Anfangsraten, Spektroskopie (z. B. UV-VIS), Refraktometrie oder volumetrische Messungen genutzt. Es gibt homogene Kinetik (Katalysatoren gelöst) und heterogene Kinetik (Katalysatoren an festen Oberflächen). Diffusionslimitierungen und Oberflächenreaktionen spielen in der Kinetik der Grenzfläche eine Rolle. Reaktionskinetik findet Anwendungen in Chemie, Biochemie, Umwelttechnik, Pharmazie und Materialwissenschaft.