Chemisches Gleichgewicht

Chemisches Gleichgewicht
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Verlauf chemischer Reaktionen		Reaktionsbedingungen

Reversible Reaktionen

Eine chemische Reaktion kann umkehrbar (= reversibel) verlaufen, d. h. es findet neben der Umwandlung A + BC + D auch eine Rückreaktion C + DA + 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 + BC + 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 k_hin zu k_rück 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

• Beinflussung des chemischen Gleichgewichts durch Druck, in: Elemente Chemie 2, Seite 150, Versuch 1-2
• Ermittlung einer Gleichgewichtskonstanten durch Leitfähigkeitsvergleich, in: Chemie heute (Ausgabe 1998), Seite 96, Versuch 1
• Estergleichgewicht, in: Chemie heute (Ausgabe 1998), Seite 96, Versuch 3
• Estergleichgewicht: Essigsäureethylester-Gleichgewicht, in: Chemie heute SII, Seite 330, Versuch 1
• Gleichgewichte, in: Chemie? - Aber sicher!, Seite 22
• Gleichgewichtseinstellung im Modell, in: Elemente Chemie 2, Seite 147, Versuch 1-2
• Gleichgewichtsreaktionen der Komplexverbindungen, in: Elemente Chemie 2, Seite 418, Versuch 1-4
• Gleichgewichtsverschiebung: Die Reaktion von Eisen-Ionen mit Silber-Ionen und die Rückreaktion, in: Chemie heute SII, Seite 103, Versuch 1
• Gleichgewichtsverschiebung: Einfluss des Drucks auf die Gleichgewichtslage, in: Chemie heute SII, Seite 103, Versuch 2
• Gleichgewichtsverschiebung: Iod/Stärke-Reaktion, in: Chemie heute SII, Seite 103, Versuch 3
• Mehrstufige Destillation von Wein: Gleichgewicht zwischen einer Flüssigkeit und ihrem Dampf, in: Elemente Chemie 2, Seite 167, Versuch 1
• Modellexperiment zu einem chemischen Gleichgewicht, in: Chemie heute (Ausgabe 1998), Seite 84, Versuch 3
• Umkehrbarkeit und Gleichgewicht, in: Elemente Chemie 2, Seite 146, Versuch 1-2
• Umkehrbare Reaktionen: Bildung von Calciumcarbonat und Calciumhydrogencarbonat, in: Chemie heute SII, Seite 99, Versuch 1
• Umkehrbare Reaktionen: Gleichgewicht in Kupferchlorid-Lösungen, in: Chemie heute SII, Seite 99, Versuch 2
• Umkehrbare Reaktionen: Modellexperiment zum Gleichgewicht, in: Chemie heute SII, Seite 99, Versuch 3
• Untersuchung von Gleichgewichten: Ermittlung der Gleichgewichtskonstanten, in: Chemie heute SII, Seite 108, Versuch 1
• Untersuchung von Gleichgewichten: Gleichgewichtseinstellung bei der Veresterung, in: Chemie heute SII, Seite 108, Versuch 2
• Veresterung und Esterspaltung, in: Elemente Chemie 2, Seite 118, Versuch 1-5
• Veresterung und Esterspaltung, in: Elemente Chemie 2, Seite 144, Versuch 1
• Experimente zum chemischen Gleichgewicht rund um das Thema Gips. In: Friedrich Verlag (Hrsg.): Naturwissenschaften im Unterricht Chemie (Zeitschrift), Heft 150, S. 36 (2015).
• Gleichgewichtsreaktionen von Cobalt- und Kupferkomplexen, in: Chemische Kabinettstücke, S. 121.
• Chemische Gleichgewichte im Mineralwasser, in: Chemische Kabinettstücke, S. 130.
• Temperaturabhängigkeit des chemischen Gleichgewichtes. In: Friedrich Verlag (Hrsg.): Naturwissenschaften im Unterricht Chemie (Zeitschrift), Heft 160, S. 49 (2017). (Stickoxide)

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

• Chemisches Gleichgewicht als Google-Suchbegriff
• Chemisches Gleichgewicht in der Wikipedia
• Chemisches Gleichgewicht hier in bs-wiki.de mit Google
• Chemisches Gleichgewicht als Youtube-Video
• www.klett.de: Elemente Chemie 2, Kapitel 4 - Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht
• Prof. Rüdiger Blumes umfangreiche Themenseite mit Experimenten und weitergehenden Infos
• Telekolleg Chemie - 7. Folge: Chemisches Gleichgewicht
  Neben umkehrbaren chemischen Reaktionen beschäftigt sich die Sendung mit dynamischen Gleichgewichten und deren Interpretation. Sie gliedert sich in vier Sequenzen:

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