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Reaktionskinetik

Stoßtheorie

Für das Zustandekommen einer Elementarreaktion gelten mehrere Voraussetzungen:

  • Die reagierenden Teilchen müssen einen solchen Abstand haben, dass sich ihre Potenzialfelder gegenseitig beeinflussen, das heißt sie müssen zusammenstoßen.
  • Die Energie muss so groß sein, dass der Stoß unelastisch verläuft und eine Wirkung in den Potenzialfeldern ausgelöst wird.
  • Die räumliche Anordnung der reagierenden Teilchen muss so sein, dass eine lokalisierte, gerichtete chemische Bindung auch entstehen kann.
  • Bei der Reaktion muss ein stabiles Reaktionsprodukt entstehen.

Aus diesen Voraussetzungen resultieren zwei Theorien, nämlich die Stoßtheorie und die Theorie des Übergangszustandes. Hier soll nur die Stoßtheorie behandelt werden.

Als einfaches Beispiel kann die Bildung eines Moleküls aus zwei anderen Molekülen betrachtet werden, also eine bimolekulare Reaktion. Eine der Voraussetzungen für die Reaktion ist das Zusammenstoßen von zwei Molekülen der Ausgangsstoffe. Die Zahl der Zusammenstöße pro Zeiteinheit (Stoßzahl) ergibt sich aus der mittleren freien Weglänge eines Gasmoleküls und seiner mittleren Geschwindigkeit. Mittlere Geschwindigkeit und mittlere freie Weglänge lassen sich aus der kinetischen Gastheorie berechnen. Für die Verhältnisse in Luft bei Normaldruck (zur Veranschaulichung) gilt etwa:

Stoßzahl
z = v ¯ l ¯ z : Stoßzahl v ¯ : mittlere Geschwindigkeit l ¯ : mittlere freie Weglänge

Bei v ¯ = 5 10 4 m s -1 und l ¯ = 10 5 cm ergibt sich für ein Molekül bereits eine Stoßzahl von z = 5 10 9 s -1

Die Zahl der Zusammenstöße in einem Gasvolumen ist also sehr hoch. Hieraus läßt sich jedoch keineswegs der Stoffumsatz chemischer Reaktionen direkt ableiten. Dies hat folgende Gründe:

  • Es führen nur solche Zusammenstöße zur Reaktion, bei denen die Aktivierungsenergie erreicht wird. Dem ist durch den Faktor exp(-Ea/(R·T) in der Arrhenius-Gleichung Rechnung getragen.
  • Die Orientierung der zusammenstoßenden Teilchen muss so sein, dass eine Neuknüpfung von Bindungen möglich ist. Die sei allgemein am Beispiel der Reaktion 2 AB A 2 + B 2 erläutert:

Dieser Effekt wird in der Arrhenius-Gleichung durch einen sterischen Faktor berücksichtigt. Aus

k = A e Ea R T

wird dann

k = z P e Ea R T z : Stoßzahl P : sterischer Faktor

Die Schwäche der Stoßtheorie ist, dass der sterische Faktor einer Reaktion nicht mit brauchbarer Genauigkeit berechenbar beziehungsweise abschätzbar ist, das heißt die Berechnungsergebnisse differieren zu stark mit den Experimenten.

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