Chemisches Gleichgewicht und Massenwirkungsgesetz
In einer zugeschmolzenen Glasampulle befindet sich ein braunes Gas, Stickstoffdioxid . Beim Erwärmen wird die Farbe dunkler, beim Abkühlen deutlich heller. Drückt man das Gas in einer Spritze zusammen, wird es zuerst dunkler, weil alles dichter liegt, und dann wieder heller. Die Masse in der Ampulle bleibt gleich, trotzdem ändert sich die Farbe. Der Grund: steht im Gleichgewicht mit dem farblosen , und dieses Gleichgewicht verschiebt sich mit den Bedingungen. Stickstoffdioxid ist giftig, solche Versuche gehören in den Abzug oder in abgeschmolzene Ampullen.
Du lernst, was im Gleichgewicht geschieht, wie man es berechnet und wie man vorhersagt, wohin es sich verschiebt.
Dynamisches Gleichgewicht
Bei einer umkehrbaren Reaktion laufen Hinreaktion (Edukte zu Produkten) und Rückreaktion nebeneinander ab, zum Beispiel . Zu Beginn überwiegt die Hinreaktion; ihre Geschwindigkeit sinkt, die der Rückreaktion steigt. In einem geschlossenen System stellt sich ein chemisches Gleichgewicht ein, wenn beide Geschwindigkeiten gleich sind. Dann bleiben die Konzentrationen konstant. Die Reaktion steht aber nicht still: Es entstehen und zerfallen weiter Teilchen, im gleichen Tempo. Man spricht von einem dynamischen Gleichgewicht. Es lässt sich von beiden Seiten erreichen und hat bei gleichen Bedingungen dasselbe Ergebnis.
Massenwirkungsgesetz und Gleichgewichtskonstante
Für gilt im Gleichgewicht das Massenwirkungsgesetz mit der Gleichgewichtskonstanten . ist die Gleichgewichtskonzentration von X in mol/L.
Plausibel wird es mit der Stoßtheorie am Beispiel . Die Zahl der Stöße zwischen und ist proportional zu , die zwischen zwei HI-Teilchen zu . Mit den temperaturabhängigen Geschwindigkeitskonstanten und ist und . Im Gleichgewicht sind beide gleich, also . Der Quotient zweier Konstanten ist konstant. Die Form des Terms gilt für jede Reaktion, nicht nur für einstufige.
Aussagen über
- Ein großes bedeutet, dass das Gleichgewicht auf der Produktseite liegt, ein kleines, dass es auf der Eduktseite liegt.
- hängt nur von der Temperatur ab, nicht von den Anfangskonzentrationen, vom Druck und nicht vom Katalysator.
- Die Einheit folgt aus dem Term, hier . Sind die Koeffizientensummen links und rechts gleich, hat keine Einheit.
- Feststoffe als eigene Phase und das Lösungsmittel einer verdünnten Lösung stehen nicht im Term. Für gilt .
aus Messwerten
aus Messwerten
Bei 25 °C werden gemessen: mol/L und mol/L (angenommene Werte). Berechne für .
Das Gleichgewicht liegt auf der Seite von . Die Einheit L/mol ergibt sich, weil im Zähler eine Konzentration und im Nenner ein Quadrat steht.
Gleichgewichtskonzentrationen aus den Ausgangsmengen
Gleichgewichtskonzentrationen aus den Ausgangsmengen
Essigsäure und Ethanol reagieren zu Ethylacetat und Wasser: . Bei etwa 25 °C ist . Wie viel Ester entsteht aus 1,0 mol Säure und 1,0 mol Alkohol?
Es reagieren mol. Im Gleichgewicht liegen mol Ester, mol Wasser und je mol Säure und Alkohol vor. Die Koeffizientensummen links und rechts sind gleich (2 und 2), das Volumen kürzt sich, man darf Stoffmengen einsetzen:
. Wurzel ziehen: , also und . Es entstehen 0,67 mol Ester, die Ausbeute bezogen auf die Säure beträgt 67 %.
Überschuss eines Edukts
Überschuss eines Edukts
Wie viel Ester entsteht (gleiches ), wenn man 1,0 mol Säure mit 3,0 mol Ethanol mischt?
Im Gleichgewicht: mol Ester und Wasser, mol Säure, mol Ethanol. Aus folgt , also . Mit der Lösungsformel: , also oder . Mehr als 1,0 mol Säure kann nicht reagieren, es gilt . Die Ausbeute steigt von 67 % auf 90 %.
Prinzip von Le Chatelier
Wird ein System im Gleichgewicht durch eine äußere Änderung gestört, verschiebt sich das Gleichgewicht so, dass die Störung teilweise ausgeglichen wird (Prinzip von Le Chatelier, Prinzip des kleinsten Zwangs). Quantitativ setzt man nach der Störung die momentanen Konzentrationen in den Term des Massenwirkungsgesetzes ein und erhält den Quotienten . Bei läuft die Hinreaktion weiter, bei die Rückreaktion, bis gilt. Beispiel Ammoniaksynthese, mit kJ/mol:
| Störung | Verschiebung | Begründung |
|---|---|---|
| oder zugeben, entfernen | zu | wird kleiner als |
| Druck erhöhen (Volumen verkleinern) | zu | links 4 mol Gas, rechts 2 mol: Weniger Teilchen mindern den Druck |
| Temperatur erhöhen | zu und | Die endotherme Rückreaktion weicht der Wärmezufuhr aus, sinkt |
| Katalysator | keine | beide Richtungen werden gleich viel schneller |
Nur die Temperatur ändert selbst. Konzentration und Druck verschieben die Lage, bleibt gleich.
Im Gleichgewicht ist alles gleich groß und still
Im Gleichgewicht ist alles gleich groß und still
„Im Gleichgewicht ist die Reaktion zum Stillstand gekommen, und Edukte und Produkte liegen in gleichen Mengen vor.“
Die Konzentrationen sind konstant, nicht gleich groß. Ihr Verhältnis legt fest. Hin- und Rückreaktion laufen weiter, mit gleicher Geschwindigkeit.
Druck ändert die Gleichgewichtskonstante
Druck ändert die Gleichgewichtskonstante
„Erhöht man den Druck bei der Ammoniaksynthese, steigt .“
ändert sich nur mit der Temperatur. Der höhere Druck führt zu neuen Gleichgewichtskonzentrationen mit mehr , der Quotient daraus bleibt .
Zusammenfassung
Bei umkehrbaren Reaktionen stellt sich in einem geschlossenen System ein dynamisches Gleichgewicht ein: , die Konzentrationen sind konstant.
Massenwirkungsgesetz: ist der Quotient aus dem Produkt der Produktkonzentrationen und dem der Eduktkonzentrationen, jeweils mit den Koeffizienten als Exponenten. Feststoffe stehen nicht im Term.
hängt nur von der Temperatur ab. Ein großes heißt, dass das Gleichgewicht auf der Produktseite liegt.
Gleichgewichtskonzentrationen berechnet man mit einer Unbekannten für die umgesetzte Menge. Das führt auf Gleichungen, die man nach löst.
Prinzip von Le Chatelier: Das Gleichgewicht weicht der Störung aus. Mehr Edukt, höherer Druck (zur Seite mit weniger Gasteilchen) und tiefere Temperatur (bei exothermer Hinreaktion) verschieben zu den Produkten.
Ein Katalysator verschiebt das Gleichgewicht nicht.
Übungen
Welche Aussage beschreibt ein chemisches Gleichgewicht richtig?
Für N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 werden im Gleichgewicht gemessen: [N2] = 0,50 mol/L, [H2] = 0,10 mol/L, [NH3] = 0,10 mol/L. Berechne Kc in L²/mol².
Für H2 + I2 ⇌ 2 HI gilt bei einer bestimmten Temperatur Kc = 49. Im Gleichgewicht ist [H2] = [I2] = 0,10 mol/L. Wie groß ist [HI] in mol/L?
Der Druck wird bei N2 + 3 H2 ⇌ 2 NH3 im Gleichgewicht erhöht (Temperatur gleich). Was geschieht?
Für die Veresterung gelte bei einer Temperatur Kc = 9. Man mischt 1,0 mol Säure mit 1,0 mol Alkohol. Wie viel Prozent der Säure sind im Gleichgewicht zum Ester umgesetzt?
Erkläre, warum das braune Gas in einer Spritze mit NO2 und N2O4 beim Zusammendrücken zuerst dunkler und dann wieder heller wird.