Reaktionsordnung

Reaktionsordnung – Erklärung

Die Reaktionsordnung hängt mit der Reaktionsgeschwindigkeit zusammen. Wie schnell eine Reaktion abläuft, ist abhängig von der Konzentration der Edukte (Ausgangsstoffe). Um Reaktionen einordnen und vergleichen zu können, wurde diese Abhängigkeit experimentell untersucht und als Reaktionsordnung definiert.

Die Reaktionsordnung steht für die experimentell ermittelte Abhängigkeit der Reaktionsgeschwindigkeit von der Eduktkonzentration. Unterschieden wird zwischen:

Tabelle 1: Geschwindigkeitsgesetze der jeweiligen Reaktionsordnungen.

Dabei steht v_R für die Reaktionsgeschwindigkeit, k für die Geschwindigkeitskonstante und c für die Konzentrationen der Ausgangsstoffe. Die Konzentration der Edukte wird auch oft in eckigen Klammern angegeben. Also statt c_A für die Konzentration des Ausgangsstoffs A wird dann einfach [A] oder c(A) verwendet, wobei A durch den Reaktanden ersetzt wird.

Reaktion 1. Ordnung

Bei Reaktionen 1. Ordnung ist die Reaktionsgeschwindigkeit nur von der Konzentration eines Stoffes abhängig. Das könnte zum Beispiel eine einfache Umwandlung eines Moleküls in ein anderes Isomer sein.

Außerdem sind Zerfallsreaktionen (beispielsweise Dissoziationen) häufig Reaktionen 1. Ordnung. Diese beiden Fälle kannst Du mit folgenden Reaktionsgleichungen beschreiben:

$A\to B$

$A\to B+C+...$

Dabei handelt es sich im ersten Fall um eine Umwandlung, also beispielsweise um eine Isomerisierung oder einen radioaktiven Zerfall. Die zweite Reaktionsgleichung beschreibt einen Zerfall (Dissoziation). Egal, ob Zerfallsreaktion oder Umwandlung, für beide Reaktionswege gilt für die Reaktionsgeschwindigkeit v_R:

$v_{\mathrm{R}}=k·c_{\mathrm{A}}$

Hier stehen c_A für die Konzentration des Ausgangsstoffs A und k für die Geschwindigkeitskonstante.

Um Reaktionen 1. Ordnung besser zu verstehen, kannst Du Dir mal eine Substitutionsreaktion anschauen, die in zwei Schritten verläuft, bei der die Geschwindigkeit aber trotzdem nur von der Konzentration eines Stoffes abhängt. Ein solcher Fall ist die Reaktion von 2-Brompropan mit Hydroxid-Ionen.

Der erste Schritt ist eine monomolekulare Reaktion, bei der ein Zerfall (Dissoziation) stattfindet. Das Brom-Atom wird in Form eines Bromid-Ions vom 2-Brompropan abgespalten. Es entsteht ein positiv geladenes Propyl-Kation. Der zweite Schritt ist eine bimolekulare Reaktion, bei der zwei Teilchen miteinander wechselwirken müssen. Hierbei greift das Hydroxid-Anion am positiv geladenen Propyl-Kation an, sodass sich ein Alkohol bildet.

Die Reaktionsgeschwindigkeit entspricht einer Reaktion 1. Ordnung:

$v_{\mathrm{R}}=k·c_{RBr}$

c_RBr steht hierbei für die Konzentration des Propyl-Kations.

Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt nämlich nur von der Konzentration des Propyl-Kations ab. Da die beiden Reaktionsschritte unterschiedlich schnell verlaufen, ist der Zerfall des 2-Brompropans in ein Propyl-Kation der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Und weil die erste Teilreaktion eine monomolekulare Reaktion ist, verläuft sie entsprechend einer Reaktion 1. Ordnung. Demnach ist auch die Reaktionsordnung der Gesamtreaktion 1. Ordnung.

Wenn der erste Teilschritt sehr schnell ablaufen und ein Überschuss an Propyl-Kationen für die zweite Reaktion vorliegen würde, dann wäre der zweite Teilschritt geschwindigkeitsbestimmend. Da es sich beim zweiten Reaktionsschritt um eine bimolekulare Reaktion handelt, für die zwei Reaktionspartner nötig sind, würde die Reaktionsgeschwindigkeit einer Reaktion 2. Ordnung entsprechen.

Und hier ist der Unterschied zwischen der Molekularität und der Reaktionsordnung sehr gut erkennbar:

Diese Gesamtreaktion darf nämlich nicht als monomolekulare Reaktion bezeichnet werden, obwohl sie experimentell gesehen als Reaktion 1. Ordnung gilt. Die Begriffe für die Molekularität beziehen sich immer auf einen einzelnen Teilschritt, mit anderen Worten also auf eine Elementarreaktion.

Reaktion 2. Ordnung

Bei Reaktionen 2. Ordnung hängt die Reaktionsgeschwindigkeit von der Konzentration zweier Stoffe ab, da zwei Edukte zu einem oder mehreren Produkten reagieren. Mithilfe einer Reaktionsgleichung kannst Du solche Reaktionen also wie folgt erklären:

$A+B\to C+...$

$A+A\to B+...$

Die Edukte können zwei unterschiedliche oder zweimal derselbe Stoff sein. Sie reagieren je nach Reaktionstyp zu einem oder mehreren Produkten. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von den Konzentrationen beider Edukte ab:

$v_{\mathrm{R}}=k·c_{\mathrm{A}}·c_{\mathrm{B}}$

Oder wenn zweimal A miteinander reagiert:

$v_{\mathrm{R}}=k·{c_{\mathrm{A}}}^2$

Im Abschnitt zu Reaktionen 1. Ordnung hast Du bereits gesehen, wie eine Substitution an 2-Brompropan aussieht. Der Zerfall zum Propyl-Kation war hier der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Wie sieht das aber bei anderen Alkylhalogeniden aus?

Experimentell stellt man fest, dass beispielsweise 1-Brompropan nicht zuerst zerfallen muss, damit es mit einem Hydroxid-Ion reagieren kann. In diesem Fall besteht die Reaktion nicht aus zwei einzelnen Teilschritten (Elementarreaktionen), sondern aus einem einzelnen. Die Reaktion besteht darin, dass ein Hydroxid-Ion am halogenierten C-Atom des 1-Brompropans angreift. Es handelt sich um eine bimolekulare Reaktion. Und da das der einzige Reaktionsschritt ist, liegt auch gleichzeitig eine Reaktion 2. Ordnung vor. Die Reaktionsgeschwindigkeit berechnet sich also wie folgt:

data-custom-editor="chemistry" $v_{\mathrm{R}}=k·c_{\mathrm{RBr}}·c_{{\mathrm{OH}}^{-}}$

Ein anderes Beispiel für eine Reaktion 2. Ordnung, bei der jedoch zweimal dasselbe Edukt miteinander reagiert, ist der Zerfall von Stickstoffdioxid zu Stickstoffmonoxid und Sauerstoff:

${\mathrm{NO}}_2\to \mathrm{NO}+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2$

Sieht zunächst nach einer Reaktion 1. Ordnung aus, da nur Kohlenstoffdioxid zu zerfallen scheint. Da Sauerstoff aber immer dimerisiert als O₂ vorliegen muss, musst Du diese Reaktionsgleichung mal zwei nehmen:

$2{\mathrm{NO}}_2\to 2\mathrm{NO}+{\mathrm{O}}_2$

Die Reaktionsgeschwindigkeit wurde experimentell untersucht und sie entspricht tatsächlich folgender Gleichung:

$v_{\mathrm{R}}=k·{c_{{\mathrm{NO}}_2}}^2$

Reaktion 3. Ordnung

Bei Reaktionen 3. Ordnung reagieren drei Edukte zu einem oder mehreren Produkten. Reaktionsgleichungen würdest Du dann wie folgt aufstellen:

$A+B+C=D+....$

$2A+B=C+...$

Eines der beiden Edukte kann, wie Du siehst, auch zweifach an der gleichen Reaktion teilnehmen. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt hier von den Konzentrationen der drei Edukte ab:

$v_{\mathrm{R}}=k·c_{\mathrm{A}}·c_{\mathrm{B}}·c_{\mathrm{C}}$

Oder wenn einer der Stoffe (z. B. Edukt A) zweimal an der Reaktion beteiligt ist:

$v_{\mathrm{R}}=k·{c_{\mathrm{A}}}^2·c_{\mathrm{B}}$

Reaktion 0. Ordnung

Bei Reaktionen 0. Ordnung ist die Reaktionsgeschwindigkeit nicht von der Konzentration der Edukte abhängig und entspricht der Geschwindigkeitskonstante k. Das bedeutet, sie bleibt durchgehend konstant. Eine solche Reaktion kann eigentlich nur in der Theorie existieren, da die Reaktionsgeschwindigkeit immer zu einem gewissen Grad von der Konzentration der Reaktanden abhängt.

Wenn Du Dir aber mal enzymatisch katalysierte Reaktionen anschaust, erkennst Du schnell, dass dessen Geschwindigkeit quasi konstant ist, solange ein Überschuss auf der Eduktseite vorliegt. Enzymatisch katalysierte Reaktionen laufen bei vollständiger Sättigung der Enzyme immer in einer bestimmten Geschwindigkeit ab, die nicht von der Konzentration der Edukte abhängt. In diesem Fall sprechen wir auch von Reaktionen pseudo-nullter Ordnung.