Tarifgesetz-Rechner

Das Geschwindigkeitsgesetz rate = k[A]^m[B]^n enthält drei separate Informationen: die Geschwindigkeitskonstante k (wie schnell die Reaktion bei einer gegebenen Temperatur abläuft, wenn alles andere gleich ist) und die Ordnungen m und n (wie empfindlich die Geschwindigkeit auf die Konzentration jedes Reaktanten reagiert). Eine Reaktion zweiter Ordnung in einem Reaktanten reagiert weitaus empfindlicher auf einen zur Neige gehenden Reaktanten als eine Reaktion nullter Ordnung, die kaum auf Konzentrationsänderungen reagiert. Wenn Chemiker das Geschwindigkeitsgesetz kennen, können sie vorhersagen, wie sich eine Reaktion im Verlauf verlangsamt, einen Prozess entwerfen, der mit einer Zielgeschwindigkeit abläuft, oder diagnostizieren, welcher Schritt in einem mehrstufigen Mechanismus geschwindigkeitsbestimmend ist.

Da sich das Geschwindigkeitsgesetz für die meisten realen Reaktionen nicht aus der ausgewogenen Gleichung ablesen lässt, messen Chemiker die Anfangsgeschwindigkeit – die Geschwindigkeit gleich zu Beginn, bevor sich Produkte ansammeln und die Dinge verkomplizieren – anhand einer Handvoll Experimenten, die eine oder mehrere Ausgangskonzentrationen variieren. Der Vergleich zweier Experimente, bei denen sich nur eine Konzentration geändert hat, isoliert die Reihenfolge dieses Reaktanten: Wenn die Verdoppelung von [A] die Geschwindigkeit verdoppelt, ist die Reihenfolge in A 1; wenn es die Rate vervierfacht, ist die Ordnung 2; Wenn sich die Rate überhaupt nicht ändert, ist die Reihenfolge 0. Die Registerkarte „Reaktionsreihenfolge“ verallgemeinert dies, indem das vollständige logarithmisch-lineare System über drei Experimente gleichzeitig gelöst wird, sodass die Konzentrationen zwischen den Versuchen nicht vollkommen konstant gehalten werden müssen – alle drei Experimente, die unabhängig genug variieren, funktionieren.

Die Reaktionsgeschwindigkeit wird immer in Konzentration pro Zeit angegeben (normalerweise M/s, d. h. mol·L⁻¹·s⁻¹), unabhängig von der Form des Geschwindigkeitsgesetzes. Da Rate = k × [Konzentration]ⁿ für eine Gesamtreaktion der Ordnung n ist, müssen die Konzentrationsterme auf der rechten Seite mit den eigenen Einheiten von k kombiniert werden, um nur M/s übrig zu lassen. Das zwingt die Einheiten von k dazu, M^(1−n)·s⁻¹ — s⁻¹ für eine Reaktion erster Ordnung (n=1, da M⁰ = 1), M⁻¹·s⁻¹ für eine Reaktion zweiter Ordnung und so weiter zu sein. Dies ist auch eine nützliche Plausibilitätsprüfung: Wenn die Einheiten einer berechneten oder nachgeschlagenen Geschwindigkeitskonstante nicht mit der angegebenen Reihenfolge übereinstimmen, stimmt etwas nicht.

Für eine Elementarreaktion – eine Reaktion, die in einer einzelnen Molekülkollision stattfindet, genau wie beschrieben – entsprechen die Exponenten des Geschwindigkeitsgesetzes tatsächlich den stöchiometrischen Koeffizienten, da die Geschwindigkeit tatsächlich davon abhängt, wie oft die erforderlichen Moleküle miteinander kollidieren. Aber die meisten Reaktionen, mit denen man sich beschäftigt, darunter fast alles in einem Einführungskurs in die Chemie, abgesehen von den einfachsten Beispielen, durchlaufen mehrere Elementarschritte, deren allgemeines Geschwindigkeitsgesetz den langsamsten (geschwindigkeitsbestimmenden) Schritt plus alle schnellen Vorgleichgewichte widerspiegelt. Genau aus diesem Grund muss die Ordnung gemessen und nicht angenommen werden: Eine Reaktion 2A + B → Produkte könnte je nach ihrem tatsächlichen Mechanismus erster Ordnung in A, zweiter Ordnung in A oder irgendetwas anderem sein.

Der häufigste Fehler besteht darin, anzunehmen, dass die Reaktionsreihenfolge dem stöchiometrischen Koeffizienten aus der ausgeglichenen Gleichung entspricht – diese Abkürzung gilt nur für wirklich elementare Schritte. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwechslung der anfänglichen Geschwindigkeit (die zur Bestimmung des Geschwindigkeitsgesetzes verwendet wird) mit der momentanen Geschwindigkeit zu einem späteren Zeitpunkt, die sich ständig ändert, wenn die Reaktanten verbraucht werden. Achten Sie abschließend sorgfältig auf die Einheiten, wenn Sie k angeben: Eine Geschwindigkeitskonstante, die ohne ihre (ordnungsabhängigen) Einheiten angegeben wird, ist nicht vollständig spezifiziert, und ein numerischer Vergleich von Geschwindigkeitskonstanten über Reaktionen unterschiedlicher Ordnung ist nicht aussagekräftig, es sei denn, die Einheiten werden ebenfalls umgerechnet.