Chemisches Gleichgewicht: Grundlagen und Einflussfaktoren

TEIL 2.
THEMA 4. Chemisches Gleichgewicht.

Während einer chemischen Reaktion stellt sich nach einiger Zeit ein Gleichgewichtszustand (chemisches Gleichgewicht) ein. Das Wort „Gleichgewicht“ bezeichnet einen Zustand, in dem alle entgegenwirkenden Einflüsse auf das System ausgeglichen sind. Ein Körper, der sich im Zustand des stabilen Gleichgewichts befindet, zeigt die Fähigkeit, nach einer Störung wieder in diesen Zustand zurückzukehren.
Ein Beispiel für einen Körper im Zustand des stabilen Gleichgewichts ist eine Kugel, die am Boden einer Mulde liegt. Wenn man sie in eine der beiden Richtungen anstößt, kehrt sie bald wieder in den Zustand des stabilen Gleichgewichts zurück. Im Gegensatz dazu befindet sich eine Kugel, die am Rand der Mulde liegt, im Zustand des instabilen Gleichgewichts – ein winziger Stoß genügt, um sie unwiderruflich in die Mulde rollen zu lassen.
Beide Beispiele stellen statische Gleichgewichte dar. In der Chemie trifft man jedoch häufiger auf dynamische („bewegte“) Gleichgewichte. Ein dynamisches Gleichgewicht stellt sich ein, wenn zwei reversible oder entgegengesetzte Prozesse im Gleichgewicht sind. Dynamische Gleichgewichte unterteilen sich in physikalische und chemische. Das chemische Gleichgewicht tritt ein, wenn die Geschwindigkeit der Hinreaktion der Geschwindigkeit der Rückreaktion entspricht.

Beispiel: Wenn die Geschwindigkeit der Reaktion (Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k₁)
k₁ A(g) + B(g) ⇌ AB(g)
der Geschwindigkeit der Rückreaktion (Reaktionsgeschwindigkeitskonstante k₂)
k₂ AB(g) ⇌ A(g) + B(g)
entspricht, befindet sich das System im dynamischen Gleichgewicht. Solche Reaktionen nennt man reversibel, und ihre Gleichung wird mit einer Doppelpfeilnotation geschrieben:
k₁ A(g) + B(g) ⇌ AB(g)
k₂

Reaktionen, die von links nach rechts verlaufen, werden als direkte Reaktion bezeichnet, die von rechts nach links als Rückreaktion.
Es muss betont werden, dass ein Reaktionssystem nur dann im dynamischen Gleichgewicht bleibt, solange das System isoliert bleibt. Eine isolierte System ist ein System, das keinen Stoff oder Energie mit seiner Umgebung austauscht.

Der Zustand des chemischen Gleichgewichts reversibler Prozesse wird quantitativ durch die Gleichgewichtskonstante charakterisiert. So für eine reversible Reaktion allgemeiner Form
k₁ aA + bB ⇌ cC + dD (1.2.1)
k₂
wird die Gleichgewichtskonstante K, die das Verhältnis der Geschwindigkeitskonstanten der Vorwärts- und Rückreaktion darstellt, wie folgt geschrieben (1.2.2)
K = (k₁ / k₂) = [C]^c [D]^d / [A]^a [B]^b

Hierbei ist Kc die Geschwindigkeitskonstante der Reaktion, die von der Konzentration der reagierenden Komponenten abhängt; [i] oder [i] – die Gleichgewichtskonzentration des i-ten Komponents; a, b, c, d – die stöchiometrischen Koeffizienten der Stoffe.
In der rechten Seite der Gleichung (1.2.2) befinden sich die Konzentrationen der interagierenden Teilchen, die sich beim Gleichgewicht einstellen – die Gleichgewichtskonzentrationen.

1. Einfluss des Drucks auf das Gleichgewicht der chemischen Reaktion (für Reaktionen, die in der Gasphase ablaufen).
   aA + bB ⇌ cC + dD

• Wenn die Reaktion mit einer Zunahme der Anzahl der Komponenten a + b < c + d abläuft, verschiebt sich das Gleichgewicht bei Erhöhung des Drucks von rechts nach links.

• Wenn die Reaktion mit einer Abnahme der Anzahl der Komponenten a + b > c + d abläuft, verschiebt sich das Gleichgewicht bei Erhöhung des Drucks von links nach rechts.

• Wenn die Anzahl der Komponenten gleich ist a + b = c + d, hat eine Druckänderung keinen Einfluss auf die Gleichgewichtslage.

2. Einfluss eines inerten Gases. Das Einführen eines inerten Gases hat denselben Effekt wie eine Druckerniedrigung (Ar, N₂, Wasserdampf). Das inerte Gas nimmt nicht an der Reaktion teil.

3. Einfluss der Änderung der Konzentration der reagierenden Stoffe. Wenn zusätzliche Mengen eines Stoffes eingeführt werden, verschiebt sich das chemische Gleichgewicht in die Richtung, in der die Konzentration dieses Stoffes verringert wird.

4. Einfluss der Temperatur auf das chemische Gleichgewicht der Reaktion.
   Wenn Wärme zu einem Gleichgewichtssystem hinzugefügt wird, finden Änderungen statt, die diese Einwirkung abschwächen, d.h. endotherme Prozesse treten auf. Bei exothermen Reaktionen verschiebt sich das Gleichgewicht bei Abkühlung von links nach rechts, und bei endothermen Reaktionen verschiebt sich das Gleichgewicht bei Temperaturerhöhung von rechts nach links.
   Die Temperaturabhängigkeit von Kr – Van’t Hoff-Gleichung.
   ln(kT1) – ln(kT2) =

Beispiele zur Aufgabenlösung

1. Die Reaktion zwischen Stickstoff und Wasserstoff ist reversibel und verläuft nach der Gleichung
   N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃. Im Gleichgewicht sind die Konzentrationen der daran beteiligten Substanzen: [N₂] = 0,1 mol/l, [H₂] = 2,0 mol/l, [NH₃] = 0,40 mol/l. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonstante und die Ausgangskonzentrationen von Stickstoff und Wasserstoff.
   Lösung:
   Für die gegebene Reaktion
   Setzen wir die Gleichgewichtskonzentrationen ein und erhalten K.
   Nach der Reaktionsgleichung wird aus 1 mol Stickstoff und 3 mol Wasserstoff 2 mol Ammoniak gebildet, daher sind 0,4 mol Ammoniak entstanden, was 0,2 mol Stickstoff und 0,6 mol Wasserstoff verbraucht hat.
   Daraus ergeben sich die Ausgangskonzentrationen: [N₂] = 0,01 mol/l + 0,2 mol/l = 0,21 mol/l,
   [H₂] = 2,0 mol/l + 0,6 mol/l = 2,6 mol/l.
   Antwort: K₀ = 2; [N₂]₀ = 0,21 mol/l und [H₂]₀ = 2,6 mol/l.