Das chemische Gleichgewicht und das Prinzip von Le Chatelier

Grundlagen des chemischen Gleichgewichts

Das chemische Gleichgewicht ist ein reversibler Prozess, bei dem die Geschwindigkeiten der Hin- und Rückreaktion gleich sind, sodass sich die Konzentrationen der Edukte und Produkte mit der Zeit nicht mehr ändern. Wenn alle Edukte und Produkte in der gleichen Phase vorliegen, bezeichnet man das Gleichgewicht als homogen.

Homogene Gleichgewichte und das Massenwirkungsgesetz

Ein Gleichgewicht ist homogen, wenn alle beteiligten chemischen Spezies in der gleichen Phase vorliegen. Für jedes homogene Gleichgewicht, das in der Regel als Ausdruck aA + bB ⇌ cC + dD dargestellt wird, existiert bei einer bestimmten Temperatur ein konstantes Verhältnis zwischen den Konzentrationen der Substanzen im Gleichgewicht. Dieser numerische Wert wird als Gleichgewichtskonstante K_c bezeichnet.

Der Reaktionsquotient Q

Ein höherer Wert von K_p oder K_c bedeutet, dass das Gleichgewicht stärker auf die Seite der Produkte verschoben ist.

Bestimmung des Systemzustands

• Q_c > K_c: Das System ist nicht im Gleichgewicht. Das Verhältnis von Produkten zu Edukten ist größer als im Gleichgewichtszustand. Um das Gleichgewicht zu erreichen, muss Q_c abnehmen (der Zähler wird kleiner), d. h. Produkte werden verbraucht und Edukte gebildet. Das System verschiebt sich nach links.
• Q_c = K_c: Das System befindet sich im Gleichgewicht.
• Q_c < K_c: Das System ist nicht im Gleichgewicht. Das Verhältnis von Produkten zu Edukten ist kleiner als im Gleichgewichtszustand. Um das Gleichgewicht zu erreichen, muss Q_c steigen (der Zähler wird größer), d. h. Edukte werden verbraucht und Produkte gebildet. Das System verschiebt sich nach rechts.

Die Gleichgewichtskonstante K_p

P_A = P_T
K_c = K_p / (RT)^-Δn
K_p = K_c (RT)^{Δn
Ist Δn = 0, gilt K_c = K_p.}

Gleichgewichtsstörungen und das Prinzip von Le Chatelier

Eine Änderung externer Faktoren (Temperatur, Druck oder Konzentration) in einem Gleichgewichtssystem induziert eine Neuordnung des Systems, um den Effekt der Änderung zu minimieren und einen neuen Gleichgewichtszustand zu etablieren. Nach dem Prinzip von Le Chatelier kann die Zusammensetzung des Reaktionsgemisches wie folgt beeinflusst werden:

• Hinzufügen oder Entfernen eines Stoffes: Wird ein Stoff hinzugefügt, verschiebt sich das Gleichgewicht so, dass der Überschuss verbraucht wird. Wird ein Stoff entzogen, verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der Bildung dieses Stoffes.
• Einsatz eines Katalysators: Das Gleichgewicht wird schneller erreicht, aber der K-Wert und die Zusammensetzung des Systems ändern sich nicht.
• Druckänderung (Komprimierung oder Expansion): Dies basiert auf der Differenz der Stoffmengenanteile gasförmiger Teilchen.

• Wenn das System komprimiert wird (Druckerhöhung): Die Konzentration steigt, und das System weicht in die Richtung aus, welche die Anzahl der Gasmoleküle verringert.
• Wenn das System expandiert (Druckminderung): Der Druck und die Konzentration sinken, und das System verschiebt sich in die Richtung, welche die Anzahl der Gasmoleküle erhöht.

Einfluss der Temperatur

Eine Temperaturänderung ist der einzige Faktor, der den Wert der Gleichgewichtskonstante K direkt beeinflusst:

• Eine Erhöhung der Temperatur begünstigt die endotherme Reaktion.
• Ein Absinken der Temperatur begünstigt die exotherme Reaktion.

Heterogene Gleichgewichte

Ein System befindet sich im heterogenen Gleichgewicht, wenn die chemischen Stoffe in verschiedenen Phasen vorliegen. Die Konzentrationen von reinen Feststoffen und reinen Flüssigkeiten (einschließlich des Lösungsmittels) sind konstant und werden nicht in die Gleichgewichtsgleichung aufgenommen.

• Gase werden über ihre Partialdrücke berücksichtigt (beeinflusst K_p).
• Reine Feststoffe und Flüssigkeiten erscheinen nicht in der Reaktionsgleichung des Massenwirkungsgesetzes.
• In verdünnten Lösungen wird das Lösungsmittel nicht berücksichtigt.
• Spezies in Lösung (aq) werden über ihre molaren Konzentrationen [c] einbezogen.
• Produkte stehen im Zähler, Edukte im Nenner (jeweils potenziert mit ihrem stöchiometrischen Koeffizienten).

Freie Enthalpie und Gleichgewichtskonstante

ΔG = ΔG⁰ + RT ln Q
ΔG⁰ = - RT ln K

• Wenn ΔG⁰ < 0: Die Reaktion im Gleichgewicht ist zur Seite der Produkte verschoben.
• Wenn ΔG⁰ > 0: Die Reaktion im Gleichgewicht ist zur Seite der Edukte verschoben.

Van't-Hoff-Gleichung und Le Chatelier

Die Van't-Hoff-Gleichung steht im Einklang mit dem Prinzip von Le Chatelier:

• Exotherme Reaktion: K_p nimmt mit zunehmender Temperatur ab.
• Endotherme Reaktion: K_c nimmt mit zunehmender Temperatur zu.

Dissoziationsgrad und Molekularität

Der Dissoziationsgrad (α) gibt den Anteil der Moleküle an, die in einer chemischen Reaktion dissoziieren:
α = Anzahl der dissoziierten Mole / ursprüngliche Anzahl der Mole.

Die Molekularität einer Reaktion beschreibt die Anzahl der beteiligten Atome oder Moleküle in einem Elementarschritt (z. B. unimolekular oder bimolekular).

• Endotherme Reaktionen: Absorbieren Wärme, die Enthalpieänderung (ΔH) ist positiv.
• Exotherme Reaktionen: Geben Wärme ab, die Enthalpieänderung (ΔH) ist negativ.