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Chemisches Gleichgewicht: Unterschied zwischen den Versionen
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== Reversible Reaktionen ==
  
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Neben umkehrbaren chemischen Reaktionen beschäftigt sich die Sendung mit dynamischen Gleichgewichten und deren Interpretation. Sie gliedert sich in vier Sequenzen:
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Eine chemische Reaktion kann umkehrbar (= reversibel) verlaufen, d. h. es findet neben der Umwandlung A + B[[Bild:Pfeil.gif]]C + D auch eine Rückreaktion C + D[[Bild:Pfeil.gif]]A + B statt, z. B. bei der [[Veresterung]]. Da beide Reaktionen gleichzeitig ablaufen, schreibt man sie zusammenfassend unter Verwendung eines doppelten Reaktionspfeiles:
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Da zu Beginn der Reaktion ausschließlich die Ausgangsstoffe, also Teilchen A und B vorhanden sind, ist die Wahrscheinlichkeit und damit die [[Reaktionsgeschwindigkeit|Geschwindigkeit]] der Rückreaktion gleich Null, es erfolgt also immer die Umwandlung A + B[[Bild:Pfeil.gif]]C + D.
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Mit zunehmender Bildung der Produkte C + D wird jedoch die Wahrscheinlichkeit und damit die Geschwindigkeit der Rückreaktion immer größer, d. h. die Geschwindigkeit der Rückreaktion steigt im gleichen Maße, wie die Geschwindigkeit der Hinreaktion abnimmt.
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Zu den Zeitpunkten [Ausgangsstoffe] = [Produkte] sind die Wahrscheinlichkeiten identisch, demnach ist die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich der Geschwindigkeit der Rückreaktion (2):
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Dieser Gleichgewichtszustand, der dadurch gekennzeichnet ist, daß im weiteren zeitlichen Verlauf die Menge der durch die Hinreaktion gebildeten Produkte identisch ist mit der durch die Rückreaktion abgebauten Menge, wird auch als dynamisches Gleichgewicht bezeichnet.
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== Gleichgewichtskonstante ==
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Das Verhältnis der Geschwindigkeitskonstanten ''k''<sub>hin</sub> zu ''k''<sub>rück</sub> wird als Gleichgewichtskonstante ''K'' bezeichnet.
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Im einfachsten Fall hat ''K'' den Wert Eins und im Gleichgewichtszustand sind die Konzentrationen ''c'' der an der Reaktion beteiligten Stoffe identisch. Ihr Verhältnis beträgt ebenso Eins.
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Was verändert sich, wenn die Geschwindigkeitskonstante der Hinreaktion nur halb so groß wie die der Rückreaktion ist?
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Im Gleichgewichtszustand ist die [Konzentration] der Edukte doppelt so groß wie die Konzentration der Produkte. Die Gleichgewichtskonstante hat mit 0,5 den gleichen Wert, wie das Verhältnis von Produkt- zu Eduktkonzentration im Gleichgewichtszustand. Zusammenfassend ergibt sich der rechnerische Zusammenhang (2), der auch als '''Massenwirkungsgesetz''' (MWG) bezeichnet wird:
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|BR=<b>&#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500; = &#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500; = &#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500;&#x2500;</b>
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Dynamisches Gleichgewicht bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich zwar im Verlauf der Reaktion die Teilchenarten ändern, deren Summe aber konstant bleibt, in unserem Gedankenexperiment also immer 2 Moleküle.
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Wenn bei dieser Reaktion ein Vielfaches an Teilchen eingesetzt wird, z. B. jeweils ein [[Mol]] der Ausgangsstoffe, lässt sich die Gleichgewichtskonstante ''K'' dieser Reaktion [[experiment]]ell ermitteln. Hierzu müssen nach Versuchsende, also Einstellung des Gleichgewichtes die Mengen aller Stoffe bestimmt werden. Verteilt sich die Ausgangsmenge von 2 Mol nach der Veresterung beispielsweise so, dass von allen denkbaren 4 Komponenten jeweils genau 0,5 mol vorhanden sind, kann man die Gleichgewichtskonstante durch Einsetzen ins MWG berechnen, es ergibt sich durch Kürzen eine Gleichgewichtskonstante von genau 1.
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Welche Gleichgewichtskonstante ergibt sich für die folgenden Messwerte?
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* Anfangsmenge an Carbonsäure und Alkohol je 0,5 mol; nach Versuchsende je 0,1 mol Carbonsäure und Alkohol, Ester und Wasser je 0,4 mol
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| {{Bruch|ist==|ZL=|BL=''K''|NL=|ZR=[Produkte]&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;0,4 mol Ester{{*}}0,4 mol Wasser &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
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{{Ex-ec|150|1-2|Beinflussung des chemischen Gleichgewichts durch Druck}}
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{{Ex-ch|96|1|Ermittlung einer Gleichgewichtskonstanten durch Leitfähigkeitsvergleich}}
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{{Ex-ch|96|3|Estergleichgewicht}}
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{{Ex-ch09|{{fb|330}}|1|[[Ester]]gleichgewicht|Essigsäureethylester-Gleichgewicht}}
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{{chas|22|Gleichgewichte}}
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{{Ex-ec|147|1-2|Gleichgewichtseinstellung im Modell}}
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{{Ex-ec|418|1-4|Gleichgewichtsreaktionen der [[Komplexverbindung|Komplexverbindungen]]}}
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{{Ex-ch09|{{fb|103}}|1|Gleichgewichtsverschiebung|Die Reaktion von Eisen-Ionen mit Silber-Ionen und die Rückreaktion}}
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{{Ex-ch09|{{fb|103}}|2|Gleichgewichtsverschiebung|Einfluss des Drucks auf die Gleichgewichtslage}}
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{{Ex-ch09|{{fb|103}}|3|Gleichgewichtsverschiebung|Iod/Stärke-Reaktion}}
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{{Ex-ec|167|1|Mehrstufige Destillation von Wein: Gleichgewicht zwischen einer Flüssigkeit und ihrem Dampf}}
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{{Ex-ch|84|3|Modellexperiment zu einem chemischen Gleichgewicht}}
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{{Ex-ec|146|1-2|Umkehrbarkeit und Gleichgewicht}}
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{{Ex-ch09|{{fb|99}}|1|Umkehrbare Reaktionen|Bildung von [[Calciumcarbonat]] und Calciumhydrogencarbonat}}
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{{Ex-ch09|{{fb|99}}|2|Umkehrbare Reaktionen|Gleichgewicht in [[Kupferchlorid]]-Lösungen}}
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{{Ex-ch09|{{fb|99}}|3|Umkehrbare Reaktionen|Modellexperiment zum Gleichgewicht}}
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{{Ex-ch09|{{fb|108}}|1|Untersuchung von Gleichgewichten|Ermittlung der Gleichgewichtskonstanten}}
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{{Ex-ch09|{{fb|108}}|2|Untersuchung von Gleichgewichten|Gleichgewichtseinstellung bei der [[Veresterung]]}}
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{{Ex-ec|118|1-5|Veresterung und Esterspaltung}}
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{{Ex-ec|144|1|Veresterung und Esterspaltung}}
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{{NiU|150|36 (2015)|Experimente zum chemischen Gleichgewicht rund um das Thema Gips}}
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{{CK|121|Gleichgewichtsreaktionen von Cobalt- und Kupferkomplexen}}
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{{CK|130|Chemische Gleichgewichte im Mineralwasser}}
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{{NiU|160|49 (2017)|Temperaturabhängigkeit des chemischen Gleichgewichtes}} ([[Stickoxide]])
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{{cb|131|82|144}}
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== Übungen ==
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{{ueb|4|169|04|Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht}}
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{{www}}
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* [http://www.klett.de/web/uploads/pondus_datei/aaf8f57ce1aae221ce8869a9d65d0c0d137ebfaa.pdf www.klett.de: Elemente Chemie 2, Kapitel 4 - Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht]
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{{Blume|mwg}}
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* [http://www.br-online.de/wissen-bildung/telekolleg/faecher/chemie/chemie_07/ Telekolleg Chemie - 7. Folge: Chemisches Gleichgewicht]<br />Neben umkehrbaren [[Verlauf chemischer Reaktionen|chemischen Reaktionen]] beschäftigt sich die Sendung mit dynamischen Gleichgewichten und deren Interpretation. Sie gliedert sich in vier Sequenzen:
 
#Reversible chemische Reaktionen
 
#Reversible chemische Reaktionen
 
#[[Ester]]bildung und Esterspaltung
 
#[[Ester]]bildung und Esterspaltung
−
#Dynamisches Gleichgewicht
+
#[[Dynamisches Gleichgewicht]]
 
#[[Massenwirkungsgesetz]] (MWG)
 
#[[Massenwirkungsgesetz]] (MWG)
  
−
{{cb|-|82}}
 
−
{{www}}
 
−
*[http://www.chemieunterricht.de/dc2/mwg/ Prof. Blumes Bildungsserver für Chemie]
 
  
 
[[Kategorie:Chemie]]
 
[[Kategorie:Chemie]]

Aktuelle Version vom 20. September 2017, 12:39 Uhr

Reversible Reaktionen

Eine chemische Reaktion kann umkehrbar (= reversibel) verlaufen, d. h. es findet neben der Umwandlung A + BPfeil.gifC + D auch eine Rückreaktion C + DPfeil.gifA + B statt, z. B. bei der Veresterung. Da beide Reaktionen gleichzeitig ablaufen, schreibt man sie zusammenfassend unter Verwendung eines doppelten Reaktionspfeiles:

     
  A + B  ⇌  C + D  
     
 (1)

In Abhängigkeit von den Geschwindigkeitskonstanten der Hin- und Rückreaktion stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein, man spricht auch von einer Gleichgewichtsreaktion.

Da zu Beginn der Reaktion ausschließlich die Ausgangsstoffe, also Teilchen A und B vorhanden sind, ist die Wahrscheinlichkeit und damit die Geschwindigkeit der Rückreaktion gleich Null, es erfolgt also immer die Umwandlung A + BPfeil.gifC + D.

Mit zunehmender Bildung der Produkte C + D wird jedoch die Wahrscheinlichkeit und damit die Geschwindigkeit der Rückreaktion immer größer, d. h. die Geschwindigkeit der Rückreaktion steigt im gleichen Maße, wie die Geschwindigkeit der Hinreaktion abnimmt.

Zu den Zeitpunkten [Ausgangsstoffe] = [Produkte] sind die Wahrscheinlichkeiten identisch, demnach ist die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich der Geschwindigkeit der Rückreaktion (2):

     
  vhin  =  vrück  
     
 (2)

Es hat sich also nach einiger Zeit ein Zustand eingestellt, in dem sich alle an der Reaktion beteiligten Stoffe in einem Gleichgewicht befinden.

Dieser Gleichgewichtszustand, der dadurch gekennzeichnet ist, daß im weiteren zeitlichen Verlauf die Menge der durch die Hinreaktion gebildeten Produkte identisch ist mit der durch die Rückreaktion abgebauten Menge, wird auch als dynamisches Gleichgewicht bezeichnet.

Gleichgewichtskonstante

Das Verhältnis der Geschwindigkeitskonstanten khin zu krück wird als Gleichgewichtskonstante K bezeichnet. Im einfachsten Fall hat K den Wert Eins und im Gleichgewichtszustand sind die Konzentrationen c der an der Reaktion beteiligten Stoffe identisch. Ihr Verhältnis beträgt ebenso Eins.

Was verändert sich, wenn die Geschwindigkeitskonstante der Hinreaktion nur halb so groß wie die der Rückreaktion ist?

Im Gleichgewichtszustand ist die [Konzentration] der Edukte doppelt so groß wie die Konzentration der Produkte. Die Gleichgewichtskonstante hat mit 0,5 den gleichen Wert, wie das Verhältnis von Produkt- zu Eduktkonzentration im Gleichgewichtszustand. Zusammenfassend ergibt sich der rechnerische Zusammenhang (2), der auch als Massenwirkungsgesetz (MWG) bezeichnet wird:

   khin       [Produkte]     c(C) · c(D)  
  K  =  ──── = ─────── = ───────  
   krück       [Edukte]      c(A) · c(B)  
 (3)

Beispiel

Angenommen, bei der Veresterung bilde sich aus der Kombination genau eines Carbonsäure-Moleküls S mit einem Alkohol-Molekül A genau ein Ester- sowie ein Wassermolekül H2O, dann lautet die Reaktionsgleichung:

S + A ⇌ E + H2O (4)

Dynamisches Gleichgewicht bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich zwar im Verlauf der Reaktion die Teilchenarten ändern, deren Summe aber konstant bleibt, in unserem Gedankenexperiment also immer 2 Moleküle.

Wenn bei dieser Reaktion ein Vielfaches an Teilchen eingesetzt wird, z. B. jeweils ein Mol der Ausgangsstoffe, lässt sich die Gleichgewichtskonstante K dieser Reaktion experimentell ermitteln. Hierzu müssen nach Versuchsende, also Einstellung des Gleichgewichtes die Mengen aller Stoffe bestimmt werden. Verteilt sich die Ausgangsmenge von 2 Mol nach der Veresterung beispielsweise so, dass von allen denkbaren 4 Komponenten jeweils genau 0,5 mol vorhanden sind, kann man die Gleichgewichtskonstante durch Einsetzen ins MWG berechnen, es ergibt sich durch Kürzen eine Gleichgewichtskonstante von genau 1.

Welche Gleichgewichtskonstante ergibt sich für die folgenden Messwerte?

  • Anfangsmenge an Carbonsäure und Alkohol je 0,5 mol; nach Versuchsende je 0,1 mol Carbonsäure und Alkohol, Ester und Wasser je 0,4 mol
   [Produkte]        0,4 mol Ester · 0,4 mol Wasser                
  K  =  ─────── = ──────────────────────── = 16  
     [Edukte]      0,1 mol Carbonsäure · 0,1 mol Alkohol          
 (5)

Experimente

Im Chemiebuch ...
findest Du weitere Informationen
zum Thema Chemisches Gleichgewicht:
Chemie FOS-T

auf Seite
131

Chemie heute

auf Seite
82

Elemente Chemie

auf Seite
144

Übungen

Chemiebuch

  • Elemente Chemie 2, Seite 169: Zusammenfassung und Übungsaufgaben zu Kapitel 4 - Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht mit Lösungen.

Weblinks

  1. Reversible chemische Reaktionen
  2. Esterbildung und Esterspaltung
  3. Dynamisches Gleichgewicht
  4. Massenwirkungsgesetz (MWG)