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.

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. Zwei Hauptfaktoren haben eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung, wie viele Äpfel gesammelt und rübergeworfen werden und wie schnell dies geschieht:

Fitness: Der jüngere, fittere Junge kann schneller Äpfel sammeln und rüberwerfen als der ältere Mann.

Anzahl der Äpfel im Garten: Der Garten des alten Mannes enthält mehr Äpfel, was ihm das Sammeln und Rüberwerfen der Äpfel erleichtert.

Analogie: Die Fitness des Jungen repräsentiert die Reaktionsgeschwindigkeit, je fitter der Junge, desto schneller kann er Äpfel sammeln und werfen, ähnlich der schnellen Umwandlung von Edukten in Produkte in einer chemischen Reaktion. Die Anzahl der Äpfel im Garten des alten Mannes symbolisiert die Konzentration der Edukte bzw. Produkte. Eine grössere Menge ermöglicht ihm ein effizienteres Sammeln und Werfen, vergleichbar mit der erhöhten Reaktionsgeschwindigkeit bei höheren Konzentrationen von Edukten.

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.

Bedeutung für dieses Gleichgewicht

In der chemischen Reaktion versteht man unter Fitness die „Grundgeschwindigkeit“ der Hin- und Rückreaktionen, die durch die Aktivierungsenergie bestimmt wird und in die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante 𝑘 einfliesst. Dies beeinflusst direkt die Geschwindigkeit, mit der die Reaktanten und Produkte umgesetzt werden.

Die „Anzahl der Äpfel“ symbolisiert die Gleichgewichtskonzentrationen der Edukte und Produkte. Diese Konzentrationen bleiben im chemischen Gleichgewicht konstant, obwohl die Reaktionen weiterhin auf molekularer Ebene stattfinden, was bedeutet, dass die Reaktionsgeschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion gleich sind.

3. Das Massenwirkungsgesetz

Einleitung

Im vorangegangenen Abschnitt des "Holzapfelkriegs" haben wir gesehen, wie sich ein stabiles Gleichgewicht einstellt, wenn der Junge und der alte Mann eine gleichbleibende Anzahl an Äpfeln hin und her werfen. Jede Aktion des einen ruft eine gleichwertige Reaktion des anderen hervor, und trotz der fortwährenden Aktivität ändert sich die Gesamtzahl der Äpfel in jedem Garten nicht mehr. Diese Beobachtung leitet uns zum Massenwirkungsgesetz über, einem zentralen Prinzip in der Chemie, das die Dynamik chemischer Gleichgewichte beschreibt. Ähnlich wie beim Holzapfelkrieg, bei dem eine Balance zwischen den geworfenen und zurückgeworfenen Äpfeln erreicht wird, beschreibt das Massenwirkungsgesetz die Balance zwischen den Reaktionsgeschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion in chemischen Reaktionen.

Grundprinzipien

In der Chemie erreicht eine Reaktion dann ein Gleichgewicht, wenn die Geschwindigkeit, mit der die Edukten zu Produkten reagieren (Hinreaktion), gleich der Geschwindigkeit ist, mit der die Produkte wieder zu Edukten reagieren (Rückreaktion). Das bedeutet, dass die Reaktionsgeschwindigkeiten RG_hin und RG_rück gleich sind. Dieser Zustand wird durch die Konstanten der Reaktionsgeschwindigkeiten und durch die Konzentrationen der beteiligten Stoffe bestimmt.

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 den pH-Wert). Im Kontext der Powerpoint Apfelschlacht wird dies durch die Gleichung RG = f(k, c) verdeutlicht.

In einem chemischen Gleichgewicht sind die Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion gleich (RG_hin = RG_rück), weil die Reaktion reversibel ist. Dies führt dazu, dass keine Änderung in den Konzentrationen von Reaktanten und Produkten auftritt, was einen stabilen Zustand des Systems darstellt.

Gleichgewichtszustand: 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 hin: 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 rück: 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 geteilt 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

• In dieser Graphik ist die Konzentration des Produktes höher, daher ist die Lage des Gleichgewichts rechts verschoben.

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