Reaktionsordnung – Bestimmung, Chemie und Beispiele

Die Reaktionskinetik befasst sich in der Chemie mit der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen. Nach der Kollisionstheorie findet eine chemische Reaktion dann statt, wenn zwei Teilchen aufeinandertreffen. Die Wahrscheinlichkeit der Kollision zweier Teilchen kann z. B. durch die Temperatur und Konzentration beeinflusst werden.
In der Chemie ist die Reaktionsgeschwindigkeit definiert als die Konzentrationsabnahme eines Reaktanten oder die Konzentrationszunahme eines Produkts pro Zeiteinheit. Also lautet die Formel für die Reaktionsgeschwindigkeit:

Für die Einheit der Reaktionsgeschwindigkeit gilt:

Durch das Minuszeichen wird berücksichtigt, dass die Konzentration des Ausgangsstoffs mit der Zeit abnimmt.

Das Geschwindigkeitsgesetz beschreibt den mathematischen Zusammenhang zwischen den Konzentrationen der Reaktanten und der Reaktionsgeschwindigkeit . Wie die Reaktionsgeschwindigkeit über das Geschwindigkeitsgesetz berechnet werden kann, ist abhängig von der Reaktionsordnung. Laut Definition ist die Reaktionsordnung die Summe der Exponenten der Konzentrationen der Reaktionspartner im Geschwindigkeitsgesetz. Das Geschwindigkeitsgesetz und die Reaktionsordnung müssen experimentell bestimmt bzw. berechnet werden.

Bei einer Reaktion erster Ordnung hängt die Reaktionsgeschwindigkeit nur von einem einzigen Edukt ab:

Dabei stellt die Geschwindigkeitskonstante dar. Umwandlungen wie Isomerisierungen oder Zerfallsprozesse, z. B. radioaktiver Zerfall, stellen Reaktionen erster Ordnung dar. (Dabei ist ein radioaktiver Zerfall streng genommen keine chemische Reaktion.)

Für den zeitlichen Verlauf der Konzentration gilt dann:

Hier ist die Konzentration von Stoff zum Zeitpunkt und die Konzentration von Stoff zum Zeitpunkt , also zu Beginn der Reaktion. Man spricht deshalb von einer Reaktion erster Ordnung, weil es eine lineare Abhängigkeit zwischen und gibt .

Bei einer Reaktion zweiter Ordnung hängt die Reaktionsgeschwindigkeit von zwei Edukten ab:

Möglich ist aber auch, dass die Teilchen eines Stoffs gegenseitig miteinander reagieren:

Für den zeitlichen Verlauf der Konzentration gilt dann:

Man spricht in diesem Fall von ein Reaktion zweiter Ordnung, weil es eine quadratische Abhängigkeit zwischen und gibt . Auch bei zwei Edukten ( und ) ist diese Abhängigkeit gegeben, sie ergibt sich dann allerdings aus dem Produkt der beiden Konzentrationen der Ausgangsstoffe in Abhängigkeit von der Zeit .

Auf gleiche Weise sind auch Reaktionen dritter, vierter Ordnung etc. möglich. Die Reaktionsordnung muss außerdem nicht zwingend ganzzahlige Werte annehmen.

Einen Sonderfall stellt die Reaktion nullter Ordnung dar. In diesem Fall ist die Reaktionsgeschwindigkeit nicht abhängig von der Konzentration der Edukte und damit identisch mit der Geschwindigkeitskonstante.

Das ist bei einigen enzymatisch katalysierten Reaktionen der Fall. Bei solchen Reaktionen ist die Reaktionsgeschwindigkeit nicht durch die Konzentration der Edukte, sondern hauptsächlich durch andere Reaktionsbedingungen beschränkt (beispielsweise durch den Katalysator).

Für den zeitlichen Verlauf der Konzentration gilt dann:

Warum von einer Reaktion nullter Ordnung die Rede ist, wird verständlich, wenn wir die Abhängigkeit zwischen und wieder in Bezug auf die Potenz von betrachten:
folgt nämlich aus , also gilt

Die Halbwertszeit einer chemischen Reaktion gibt an, welche Zeit benötigt wird, bis die Hälfte der Edukte umgesetzt ist. Bei einer Reaktion erster Ordnung ist die Halbwertszeit unabhängig von der Konzentration. Bei einer Reaktion zweiter Ordnung und allen anderen ist die Halbwertszeit hingegen konzentrationsabhängig. Oft wird die Halbwertszeit mit dem Symbol abgekürzt. Die Halbwertszeit kann je nach Reaktionsordnung unterschiedlich berechnet werden: