Chemisches Gleichgewicht
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©stu2007/01/22 (last update)

Chemische Reaktionen laufen in Lösungen bzw. in der Gasphase nicht vollständig ab, sondern es stellt sich immer ein "Chemisches Gleichgewicht" ein, in dem Ausgangsstoffe und Reaktionsprodukte nebeneinander vorhanden sind. 
Die "Lage" des Gleichgewichtes (Verhältnis von Ausgangsstoffen zu Reaktionsprodukten) ist von den Reaktionsbedingungen abhängig (Druck, Temperatur, Konzentration der einzelnen Stoffe). 
In einem geschlossenen Gefäß bleibt bei gleichen Bedingungen das Mengenverhältnis von Ausgangsstoff zu Reaktionsprodukt konstant, es handelt sich um ein dynamisches Gleichgewicht, das heißt es bilden sich ständig gleich viele Reaktionsprodukte und es zerfallen gleichzeitig gleich viele in die Ausgangsstoffe.


Wasserstoff und Iod stehen im Gleichgewicht miteinander. Bei gleichen Bedingungen ist das Verhältis zwischen H2/ I2 und HI-Molekülen konstant, aufgrund der gleichzeitigen Hin- und Her-Reaktionen liegt z.B. ein H-Atom zeitweise in einem H2 und zeitweise in einem HI vor. 

Massenwirkungsgesetz und Gleichgewichtskonstante

Um ein Gleichgewicht beschreiben zu können setzt man die Konzentrationen der einzelnen Stoffe (in mol/Liter) in das "Massenwirkungsgesetz" ein und berechnet die "Gleichgewichtskonstante" K. 
Wenn die Reaktion "gut geht", also viel C und D vorliegt ist K>>1, 
wenn die Reaktion "schlecht geht", also viel A und B vorliegt ist K<<1, 
wenn gleich viel A + B, wie C + D vorliegt ist K = 1.


Für das Gleichgewicht H2/ I2 und HI bei 500°C ergibt sich K = 40 
Bei 400°C ist die Gleichgewichtskonstante K = 60. 

1) Bei welcher Temperatur entsteht mehr HI, bei 400°C oder bei 500°C?

bei 500°C:


 


Oft wird statt der Gleichgewichtskonstante K der pK angegeben. Vor allem bei Säurekonstanten schreibt man statt der Dissoziationskonstante KS den pKS. p steht für den "negativen dekadischen Logarithmus". Z. B.: KS = 1.10-10, dann ist pKS = +10.

Beeinflussung des Chemischen Gleichgewichtes

Ein chemisches Gleichgewicht lässt sich beeinflussen durch:
- Änderung der Temperatur
- Änderung des Druckes
- Änderung der Konzentration einzelner Stoffe.

Übt man von außen "Zwang" auf das Gleichgewicht aus, indem man den Druck erhöht, so verschiebt sich das Gleichgewicht bei der Ammoniak-Synthese in Richtung Reaktionsprodukt und "weicht dem Zwang aus" (weniger Teilchen brauchen weniger Platz).


Änderung des Druckes

Bei der Ammoniak-Synthese haben die gasförmigen Ausgangsstoffe ein doppelt so grosses Volumen, wie das Reaktionsprodukt. Durch Erhöhung des Druckes wird die Ausbeute größer.


Änderung der Temperatur

Ein weiteres wichtiges Gleichgewicht ist das Boudouard-Gleichgewicht:

Bei Temperaturen von 800 bis 1000°C liegt im System C + CO2 / 2 CO fast ausschliesslich CO vor, bei Temperaturen unter 400°C liegt ausschliesslich  CO2 vor. Solche Gleichgewichte spielen eine grosse Rolle bei der Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit von Verbrennungen in Kraftwerken und Motoren.
CO in die Luft zu blasen ist weder umweltfreundlich, noch wirtschaftlich (CO ist brennbar, "enthält" also noch Energie).


Änderung der Konzentration

Hat das Reaktionsprodukt C einen deutlich niedrigeren Siedepunkt als die übrigen Stoffe, so lässt sich das Gleichgewicht dadurch beeinflussen, dass man dieses Reaktionsprodukt durch Destillation entfernt. Dann bildet sich dieser Stoff solange nach, bis die Umsetzung vollständig erfolgt ist.


Katalysatoren beschleunigen die Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung, aber sie verändern die Lage des Gleichgewichtes nicht (K bleibt unverändert). Ein Katalysator verringert nur die Aktivierungsenergie.

Chemische Gleichgewichte spielen eine große Rolle - in Kraftwerken und Motoren ( optimale Bedingungen führen zur maximalen Energie-Ausbeute). 
- in der chemischen Industrie (optimale Bedingungen führen zur maximalen Stoff-Ausbeute). 
- im Umweltschutz ( je nach Reaktionsbedingungen entstehen mehr oder weniger schädliche Stoffe). 
- in Pufferlösungen ( Lösungen, die gewissen Mengen von Säure oder Lauge "puffern").

2) Erkläre folgende Begriffe kurz und bündig:
 
1) dynamisches Gleichgewicht  2) Massenwirkungsgesetz 
3) Gleichgewichtskonstante 4) Katalysator

3) Wie kann ein chemisches Gleichgewicht beeinflusst werden?


Chemisches Gleichgewicht (Seilnachts Homepage)
Links zu Websites über das Chem. Gleichgewicht
fh-köln: Chem. Gleichgewicht (pdf)

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