Chemisches Gleichgewicht
Das Chemische Gleichgewicht gehört zur Gruppe der dynamischen Gleichgewichte.Grundsätzlich kann sich bei umkehrbaren chemischen Reaktionen ein Gleichgewicht einstellen.
Bei umkehrbaren (reversiblen) Reaktionen können Hin- und Rückreaktion ablaufen.
Reaktionen, die einen Gleichgewichtszustand einnehmen können, werden als Gleichgewichtsreaktionen bezeichnet.
Die Gleichgewichtskonzentrationen der Edukte und Produkte sind konstant und für jede Reaktion charakteristisch.
Im Gleichgewicht ist die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich der Geschwindigkeit der Rückreaktion.
Im Verlauf einer Gleichgewichtsreaktion nimmt die Konzentration der Edukte ständig ab. Dadurch verringert sich auch die Geschwindigkeit der Hinreaktion. Gleichzeitig nimmt die Konzentration der Produkte ständig zu. Dadurch vergrößert sich die Geschwindigkeit der Rückreaktion. Sind schließlich beide Reaktionsgeschwindigkeiten gleich, wird in gleichen Zeitspannen ebenso viel Produkt wie Edukt gebildet: Das Gleichgewicht ist erreicht.
Für die Reaktion gilt:
im Gleichgewichtszustand gilt dann:
Daraus folgt:
Zeichenerkärung:
khin: Geschwindigkeitskonstante der Hinreaktion;
krück: Geschwindigkeitskonstante der Rückreaktion;
K: Gleichgewichtskonstante oder Massenwirkungskonstante
Störungen sind:
Soll ein Gleichgewicht vollständig zugunsten eines Produkts ablaufen, genügt es, eines der Produkte aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen. Dadurch wird die Rückreaktion unterbunden.
Verändert man die Konzentration von einem der am Gleichgewicht beteiligten Stoffe, ändern sich die Konzentrationen aller anderen Partner.
Da das Gleichgewicht nur von der Temperatur und ggf. vom druck abhängt, erfolgt die Änderung mit dem Ziel, das ursprüngliche Gleichgewicht wieder herzustellen.
Für eine Gleichgewichtsreaktion
lassen sich dabei folgende Fälle unterscheiden:
Der Gleichgewichtszustand
Obwohl Hin- und Rückreaktion beständig ablaufen, also Edukte in Produkte und diese wiederum in Edukte umgewandelt werden, verändern sich im Gleichgewicht die Konzentrationen der Edukte und Produkte nicht.Das Massenwirkungsgesetz
Ableitung
Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist direkt proportional zur Konzentration der Edukte:
Je höher die Konzentration der Edukte ist, desto schneller läuft die Reaktion ab.Gleichgewichtslage
Die Lage eines Gleichgewichts – und damit die Gleichgewichtskonstante – ist durch die Reaktionsbedingungen Temperatur und Druck festgelegt.
Eine Zunahme der Gleichgewichtskonstante K bedeutet eine Verschiebung des Gleichgewichts auf die Seite der Produkte, eine Abnahme von K bedeutet eine Verschiebung des Gleichgewichts auf die Seite der Edukte.Einfluss eines Katalysators
Ein Katalysator beschleunigt Hin- und Rückreaktion auf die gleiche Weise. Er verändert damit nicht die Gleichgewichtskonzentrationen der Edukte und Produkte, bewirkt aber, dass sich der Gleichgewichtszustand schneller einstellt.Störung des Gleichgewichtes - Prinzip von LeChatelier
Wird ein chemisches Gleichgewicht gestört, dann läuft diejenige Reaktion beschleunigt ab, die diese Störung wieder rückgängig macht.Konzentrationsänderungen
Zufuhr bzw. Wegnahme eines Reaktionspartners verschiebt das Gleichgewicht in die Richtung, die einen Teil dieser Komponente verbraucht bzw. entstehen lässt.
Änderung | bewirkt |
Zugabe von A bzw. B | Zunahme der Produkte |
Zugabe von C bzw. D | Zunahme der Edukte |
Entzug von A bzw. B | Zunahme der Edukte |
Entzug von C bzw. D | Zunahme der Produkte |
Beispiele:
- Fällungsreaktionen
- Fehlingreaktion
- Eisenrhodanit-Reaktion
Störung | Art der Reaktion | Zunahme der |
Temperaturerhöhung | exotherm | Edukte |
endotherm | Produkte | |
Temperaturerniedrigung | exotherm | Produkte |
endotherm | Edukte |
Eine von außen bewirkte Volumenänderung beeinflusst chemische Gleichgewichte ohne Beteiligung von Gasen kaum und solche, bei denen gasförmige Stoffe beteiligt sind, nur dann, wenn sich die Teilchenzahl in der Gasphase durch Gleichgewichtsverschiebung ändert. Bei Änderung der Teilchenzahl bewirkt eine Volumenänderung eine Druckänderung, die geringer ausfällt, als wenn die Gase zu keiner Reaktion fähig wären.
Eine Volumenverkleinerung /-vergrößerung verschiebt das Gleichgewicht in Richtung geringerer / größerer Teilchenzahl des gasförmigen Systems. Dadurch fällt die Druckerhöhung weniger stark aus.
Gleichgewichtsreaktionen, an denen Gase beteiligt sind, sind häufig mit einer Änderung der Teilchenzahl verbunden.
In einem geschlossenen System kann man daher je nach Reaktionsbedingungen eine Druckänderung oder eine Volumenänderung feststellen.
Die Lage des Gleichgewichts kann durch eine Druckerhöhung von außen beeinflusst werden:
- bei konstantem Reaktionsvolumen durch weitere Zufuhr von Edukten
- bei veränderlichem Reaktionsvolumen durch Komprimieren
Wird ein einem geschlossenen Stoffsystem der Druck erhöht, verlagert sich das Gleichgewicht nach der Seite geringerer Teilchenzahlen.
Bei Reaktionen, die mit keiner Änderung der Teilchenzahl verbunden sind, führt eine Druckänderung zu keiner Verschiebung des Gleichgewichts.
Einen besonderen Fall stellen Gleichgewichtsreaktionen dar, bei denen gasförmige Produkte vorliegen.
Findet die Reaktion in einem offenen System statt, kann das bei der Reaktion entstehende gas ständig entweichen. Dadurch wird ständig neues Gas produziert, das wiederum entweicht. Diese Störung des Gleichgewichts führt dazu, dass es sich nicht mehr einstellen kann: die Reaktion verläuft vollständig zur Produktseite.
Eine Druckänderung wirkt sich nur in einem geschlossenen System auf das Gleichgewicht aus.
R = 0,00831 kJ/K·mol)
für Redoxreaktionen gilt:
z = Zahl der ausgetauschten Elektronen
Volumenänderung / Änderung des Drucks
Das System verringert den durch die Volumenänderung erzeugten Druck, indem es zugunsten der Seite abläuft, die die geringere Teilchenzahl aufweist und somit das kleinere Volumen benötigt.
Freie Enthalpie
Je größer der Unterschied in der freien Enthalpie (ΔG) zwischen Edukten und Produkten ist, desto mehr liegt das Gleichgewicht auf der Seite mit der niedrigeren freien Enthalpie.
K = Gleichgewichtskonstante
T = Temperatur in Kelvin
F = Faraday-Konstante
ε0 = Normalpotential einer Redox-TeilreaktionBeispiele