Temperatur und Reaktionsgeschwindigkeit
Wir wollen uns nun etwas näher mit der Rolle der Temperatur auf die Geschwindigkeit der Teilchen beschäftigen. Dazu betrachten wir folgende Graphik.
Vorheriges Kapitel:
Stoßtheorie der Reaktionsgeschwindigkeit
Eine Graphik
Geschwindigkeitsverteilung von Teilchen
Geschwindigkeits
-Verteilungs
-Kurve
Diese Graphik stellt die sogenannte Geschwindigkeitsverteilung der Teilchen dar. Man hat eine bestimmte Anzahl von Teilchen (100, 1000, 1 mmol etc.) und stellt graphische dar, wieviele Teilchen welche Geschwindigkeit haben. Das Überraschende: Die Geschwindigkeiten der einzelnen Teilchen unterscheiden sich ziemlich stark voneinander. Es gibt sehr langsame Teilchen, mittelschnelle und auch sehr schnelle Teilchen. Die meisten Teilchen jedoch bewegen sich mit der Durchschnittsgeschwindigkeit (graue senkrechte Linie).
Hier haben wir noch einmal das Geschwindigkeitsverteilungsdiagramm, allerdings mit einer kleinen Erweiterung: damit es beim Zusammenprall von zwei Teilchen zu einer Reaktion kommt, muss eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit überschritten werden. Nur ein kleiner Anteil der Teilchen erreicht diese Mindestgeschwindigkeit. Dieser Anteil ist grau markiert worden.
Temperaturerhöhung
Was bei einer Temperaturerhöhung geschieht, ist recht schnell erläutert: der Anteil der Teilchen, die die erforderliche Mindestgeschwindigkeit überschreiten, wird größer. Graphisch kann man das wie folgt darstellen:
RGT-Regel
Bei der Temperatur von 300 K erreichen schätzungsweise 10% der Teilchen die Mindestgeschwindigkeit. Bei einer Temperatur von 340 K dagegen besitzen schon ca. 50% der Teilchen die für eine Reaktion erforderliche Geschwindigkeit.
Etwas einfacher kann man diese Zusammenhänge mit Hilfe der sogenannten RGT-Regel ausdrücken:
Bei einer Temperaturerhöhung um 10°C verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit.
Diese Regel ist allerdings keine physikalische oder chemische Gesetzmäßigkeit, sondern nur eine "Faustregel". Es gibt Abweichungen und Ausnahmen, und zwar sehr viele.
Wir wollen dieses Kapitel nicht beenden, ohne uns einmal ernsthaft mit dem Thema "Temperatur" beschäftig zu haben.
Wir wissen jetzt zwar, dass die Reaktionsgeschwindigkeit mit der Temperatur steigt, und wir wissen sogar, dass dies an der Geschwindigkeitsverteilung der kleinsten Teilchen liegt, die sich mit steigender Temperatur nach rechts verschiebt.
Trotzdem können wir immer noch nicht berechnen, wie groß die Reaktionsgeschwindigkeit bei einer bestimmten Temperatur ist. Diese Berechnung ist an sich auch nicht das Ziel der gymnasialen Oberstufe, aber dennoch wollen wir zumindest etwas in das Thema "hineinschnuppern". Man wird ja nicht dümmer dadurch.
Was wir zunächst einmal brauchen, ist eine Formel oder Gleichung.
Da haben wir sie auch schon, unsere Gleichung. A und b sind dabei bestimmte Konstanten, auf die wir jetzt nicht näher eingehen wollen. Die Zahl e sollte aus der Mathematik bekannt sein; sie hat einen Wert um 2,71. Und k ist die Konstante, die in die Gleichung für die Reaktionsgeschwindigkeit eingesetzt werden muss.
Eine solche Gleichung bzw. Funktionsvorschrift wird erst dann verständlich, wenn man sie graphisch darstellt:
Diese Graphik zeigt auf der x-Achse die Temperatur in Kelvin und auf der Y-Achse den Wert von k.
Der Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit dürfte nun wohl jedem klar geworden sein.
Nächstes Kapitel: