Die Beschreibung des Chemischen Gleichgewichts

1. Das Chemische Gleichgewicht

Definition des Chemischen Gleichgewichts

Ein chemisches Gleichgewicht tritt auf, wenn in einem geschlossenen System die Hin- und Rückreaktionen einer chemischen Reaktion mit derselben Geschwindigkeit ablaufen. Dies bedeutet nicht, dass die chemische Aktivität aufgehört hat, sondern dass sich die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte nicht mehr ändern.

Bedeutung des Chemischen Gleichgewichts

Das chemische Gleichgewicht ist ein zentrales Konzept in der Chemie, da es die Dynamik vieler chemischer Reaktionen beschreibt, die in der Natur und in der Industrie stattfinden. Es hilft uns zu verstehen, wie Reaktionen unter bestimmten Bedingungen ablaufen und wie wir diese Bedingungen beeinflussen können, um die Ausbeute an gewünschten Produkten zu maximieren.

Fragestellung

Die Lage des chemischen Gleichgewichts kann stark variieren und hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dies wirft folgende wichtige Fragen auf:

Wo genau liegt das Gleichgewicht in einer chemischen Reaktion?

Welche Konzentrationen erreichen die Edukte und Produkte im Gleichgewichtszustand?

Antworten auf diese Kernfragen finden sich im weiteren Verlauf dieses Kapitels.

Wissenschaftlicher Hintergrund

In einem chemischen Gleichgewicht bleiben die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte konstant, obwohl die Reaktionen weiterhin stattfinden. Dies wird durch das Massenwirkungsgesetz beschrieben, das die Beziehung zwischen den Konzentrationen der Reaktanten und Produkte in einem Gleichgewichtszustand angibt:

aA + bB ⇌ cC + dD

2. Der Holzapfelkrieg

Um die Lage des chemischen Gleichgewichts und Gleichgewichtskonzentration anschaulich zu erklären, verwenden wir das Beispiel des "Holzapfelkriegs". Dieses Beispiel hilft, den Gleichgewichtsprozesses zu visualisieren.

Phase 1: Vorbereitung zur Schlacht

Stellen Sie sich einen Holzapfelbaum vor, der genau auf der Grenze zwischen zwei Gärten steht. In einem Garten wohnt ein Junge, im anderen ein alter Mann. Der Baum trägt viele Holzäpfel, die auf beiden Seiten des Zauns fallen. Zu Beginn sammelt der Junge alle Holzäpfel in seinem Garten auf.

Analogie: Dies entspricht dem Start der Hinreaktion in einer chemischen Reaktion.

Phase 1: Vorbereitung zur Schlacht.

Phase 2: Der Junge geht zum Angriff über

Der Junge möchte die Holzäpfel loswerden und beginnt, sie in den Garten des alten Mannes zu werfen.

Analogie: Dies stellt die Hinreaktion dar, bei der die Reaktanten zu Produkten reagieren.

Phase 2: Der Junge geht zum Angriff über.

Phase 3: Der Mann beginnt, Äpfel zurückzuwerfen

Der Mann beginnt, die Holzäpfel zurück in den Garten des Jungen zu werfen.

Analogie: Dies repräsentiert die Rückreaktion, bei der die Produkte wieder zu Reaktanten reagieren.

Phase 3: Gegenoffensive des Mannes.

Phase 4: Stabiler Gleichgewichtszustand

Mit der Zeit wirft der Mann genauso viele Äpfel zurück in den Garten des Jungen, wie er in seinen Garten wirft. Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem die Anzahl der Holzäpfel, die in beide Richtungen geworfen werden, gleich ist. Im stabilen Gleichgewichtszustand ändern sich die Mengen an Holzäpfeln in den beiden Gärten nicht mehr, obwohl weiterhin Äpfel hin- und hergeworfen werden.

Analogie: Dies stellt das chemische Gleichgewicht dar, bei dem die Reaktionsgeschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktionen gleich sind und die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte konstant bleiben.

Phase 4: Stabiles Gleichgewicht.

Wissenschaftlicher Vergleich

In der Chemie entspricht dies einer Situation, in der die Reaktanten A und B zu den Produkten C und D reagieren, bis ein Punkt erreicht ist, an dem die Reaktionsgeschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktionen gleich sind:

A + B ⇌ C + D

Die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte bleiben konstant, obwohl die Reaktionen weiterhin stattfinden.

3. Das Massenwirkungsgesetz

Einleitung

Das Massenwirkungsgesetz ist ein fundamentales Prinzip der Chemie, das die Beziehung zwischen den Konzentrationen der Reaktanten und Produkte in einem chemischen Gleichgewicht beschreibt.

Grundprinzipien

Das Massenwirkungsgesetz basiert auf der Beobachtung, dass die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion proportional zu den Konzentrationen der Reaktanten ist. Für eine allgemeine Reaktion der Form:

aA + bB ⇌ cC + dD

lässt sich das Massenwirkungsgesetz wie folgt formulieren:

       K = [C]c · [D]d / [A]a · [B]b

Herleitung Schritt-für-Schritt

Es ist nötig, das chemische Gleichgewicht mathematisch-quantitativ zu beschreiben, um berechnen zu können, wie groß die Konzentrationen der beteiligten Stoffe im Gleichgewicht sind (z.B. für pH-Wert). Im Kontext der Powerpoint Apfelschlacht wird dies durch die Gleichung RG = f(k, c) verdeutlicht, wobei im Gleichgewichtszustand gilt: RG_hin = RG_rück

Beginnen wir mit einer einfachen Reaktionsgleichung: A + B ⇌ AB

Die Reaktion beinhaltet drei Phasen:

a) Beginn

• Ausgangskonzentrationen: Die Reaktion beginnt mit den Anfangskonzentrationen von [A] und [B], bezeichnet als [A]₀ und [B]₀.

• Reaktionsgeschwindigkeit vorwärts: Die Geschwindigkeit der Hinreaktion (RG_hin) ist am Anfang maximal, weil die Konzentrationen der Reaktanten am höchsten sind. Berechnet durch k_hin · [A]₀ · [B]₀.

• Reaktionsgeschwindigkeit rückwärts: Die Geschwindigkeit der Rückreaktion (RG_rück) ist zu Beginn gleich Null, da noch kein Produkt [AB] vorhanden ist, um rückwärts zu reagieren k_rück · [AB]₀ = 0.

b) Vor dem Gleichgewicht (GW)

• Abnahme der Reaktanten: Die Konzentrationen von [A] und [B] nehmen ab, weil sie zu [AB] reagieren.

• Veränderung der Reaktionsgeschwindigkeiten: Da die Konzentrationen der Reaktanten abnehmen, nimmt auch RG_hin ab. Gleichzeitig steigt RG_rück, da die Konzentration von [AB] durch die Hinreaktion zunimmt.

c) Gleichgewicht (GW)

• Gleichgewichtskonzentrationen: Die Konzentrationen von [A], [B], und [AB] ändern sich nicht mehr weiter. Diese Konzentrationen werden mit [A]_GW, [B]_GW, und [AB]_GW bezeichnet.

• Gleichgewichtsbedingung: Am Gleichgewichtspunkt sind die Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion gleich (RG_hin = RG_rück), was durch die Gleichung k_hin · [A]_GW · [B]_GW = k_rück · [AB]_GW ausgedrückt wird.

• Verhältnis der Geschwindigkeitskonstanten: Das Verhältnis der Geschwindigkeitskonstanten k_hin / k_rück wird durch das Verhältnis der Gleichgewichtskonzentrationen beschrieben, was eine zentrale Aussage des Massenwirkungsgesetzes ist.

Aussage: Im Zustand des chemischen Gleichgewichts sind die Konzentrationen aller Stoffe konstant, und können mathematisch berechnet werden: Das (mathematische) Produkt der Produktkonzentrationen durch das Produkt der Eduktkonzentrationen ist konstant.

Da k_hin und k_rück konstant sind, können sie als neue Konstante zusammengefasst werden --> K: Gleichgewichtskonstante

Massenwirkungsgesetz:

Graphische Darstellungen

Verlauf der Gleichgewichtskonzentrationen

• Die Gleichgewichtskonzentrationen sind je nach Reaktion verschieden und werden durch K beschrieben.

• Es ist auch möglich, dass die Gleichgewichtskonzentration der Edukte grösser ist als der Produkte

Verlauf von RG_hin und RG_rück

• Die Grösse der Reaktionsgeschwindigkeit im Gleichgewicht wird ebenfalls durch K beschrieben.

• Die Abnahme von RGhin ist der Abnahme der Eduktkonzentrationen proportional.

• In dieser Graphik überwiegen die Produkte, daher ist die Lage des Gleichgewichts rechts verschoben.

4. Allgemeine Form des Massenwirkungsgesetz

Betrachten wir eine allgemeine reversible chemische Reaktion:

aA + bB + ... ⇌ cC + dD + ...

K = [C]^c · [D]^d · [...]^... / [A]^a · [B]^b · [...]^...

Hierbei sind:

• K die Gleichgewichstkonstante,
• A und B die Edukte,
• C und D die Produkte,
• a, b, c und d die stöchiometrischen Koeffizienten der jeweiligen Spezies (Elemente, Moleküle, Ionen etc.).
• [] repräsentieren die Konzentrationen der jeweiligen Spezies im Gleichgewichtszustand.

Im Gleichgewicht bleibt die Konzentration der Reaktanten und Produkte konstant, obwohl die Hin- und Rückreaktionen weiterhin stattfinden.

Beispiele

5. Bedeutung der Gleichgewichtskonstante

Einleitung

Die Gleichgewichtskonstante K ist ein zentrales Konzept in der Chemie, das das Verhältnis der Konzentrationen von Produkten zu Reaktanten im chemischen Gleichgewicht beschreibt. Sie liefert wichtige Informationen über die Lage des Gleichgewichts und die Ausbeute einer chemischen Reaktion.

Chemische Bedeutung der Gleichgewichtskonstanten K

K-Wert	Beschreibung	Zusätzliche Info	Verlauf der Konzentrationen
Kmax → ∞	Es gibt nur noch Produkte	Beim Reaktionstyp ∆H < 0, ∆S > 0
K > I	Die Produkte überwiegen	Das Gleichgewicht liegt rechts
K = I	Produkte und Edukte halten sich die Waage	Das Gleichgewicht liegt in der Mitte
K < I	Die Edukte überwiegen	Das Gleichgewicht liegt links
Kmax → 0	Die Edukte reagieren gar nicht	Beim Reaktionstyp ∆H > 0, ∆S < 0

6. Zusammenfassung des Videos "Was sagt der Kc-Wert aus?"

Das Video erklärt die Bedeutung des Gleichgewichtskonstantenwertes Kc in chemischen Reaktionen. Hier sind die wichtigsten Punkte:

1. Definition von K:

• K ist das Verhältnis der Konzentrationen der Produkte zu den Reaktanten im Gleichgewicht.
• Für die Reaktion: aA + bB ⇌ cC + dD lautet die Formel:

       K = [C]c · [D]d / [A]a · [B]b

2. Interpretation des Kc-Wertes:

• K > 1: Das Gleichgewicht liegt rechts, auf der Seite der Produkte. Es bedeutet, dass im Gleichgewicht mehr Produkte als Reaktanten vorhanden sind.
• K < 1: Das Gleichgewicht liegt links, auf der Seite der Reaktanten. Es bedeutet, dass im Gleichgewicht mehr Reaktanten als Produkte vorhanden sind.
• K ≈ 1: Die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte sind im Gleichgewicht etwa gleich.

3. Einflussfaktoren:

• Temperatur: Eine Änderung der Temperatur kann den Kc-Wert beeinflussen und das Gleichgewicht verschieben.

• Exotherme Reaktionen: Erhöhung der Temperatur verschiebt das Gleichgewicht zu den Reaktanten (verringert Kc).
• Endotherme Reaktionen: Erhöhung der Temperatur verschiebt das Gleichgewicht zu den Produkten (erhöht Kc).

4. Zusätzliches:

• [Druck]: Bei Reaktionen mit gasförmigen Reaktanten und Produkten kann eine Druckänderung das Gleichgewicht beeinflussen.

• [Konzentration]: Änderungen der Konzentrationen der Reaktanten oder Produkte verschieben das Gleichgewicht nach dem [Prinzip von Le Chatelier].

• [Katalysatoren]: Katalysatoren erhöhen die Geschwindigkeit der Hin- und Rückreaktionen, ohne die Lage des Gleichgewichts oder den Wert von Kc zu ändern.

Quellen

• Eigene Notizen

Weblinks

• Simple Club Video