Gleichgewichtsreaktionen

Massenwirkungsgesetz

Um bewerten zu können, auf welcher Seite sich ein Gleichgewicht befindet, sprich auf welcher Seite mehr Teilchen vorliegen, nutzen Chemiker*innen das sogenannte Massenwirkungsgesetz. Dieses nimmt die Konzentrationen der Reaktionspartner und verbindet sie in einer Gleichung. Hieraus ergibt sich die sogenannte Gleichgewichtskonstante K, mit der Du die Lage eines Gleichgewichts abschätzen kannst. Diese Konstante wurde jeweils experimentell für verschiedene Reaktionen bei konstanter Temperatur bestimmt. Sie ist daher auch temperaturabhängig.

Für die vorhin genannte allgemeine Reaktionsgleichung lautet das Massenwirkungsgesetz dann:

$$K_c = \frac {c_{C}^c \cdot c_{D}^d}{c_{A}^a \cdot c_{B}^b}$$

Wie Du siehst, landen die Konzentrationen der Produkte im Zähler und die Konzentrationen der Edukte im Nenner des Bruchs. Wie Du ebenfalls siehst, gehen die Koeffizienten (Zahlen vor den Stoffen) der Reaktion in die Exponenten der Konzentrationen ein. Ist die Konzentration beispielsweise auf der Produktseite deutlich größer, als auf der Eduktseite, dann liegt das Gleichgewicht auf der Produktseite, da der Großteil der Edukte umgesetzt wurde.

Chemisches Gleichgewicht beeinflussen

Das Prinzip des kleinsten Zwanges beschreibt, wie Du ein chemisches Gleichgewicht beeinflussen kannst. Wichtige Faktoren sind die Konzentrationen der Edukte und Produkte, die Temperatur und der Druck, bei der die Reaktion ablaufen. Veränderungen dieser Größen haben Auswirkungen auf das Gleichgewicht. So läuft etwa die Hinreaktion verstärkt ab, wenn die Konzentration der Ausgangsstoffe erhöht wird. Analog kann auch ständig Produkt entnommen werden. Auf diese Weise kann die Ausbeute eines gewünschten Produkts erhöht werden.

Typische Gleichgewichtsreaktionen

In der Chemie wird zwischen zwei Arten von Gleichgewichten unterschieden. Zum einen gibt es die homogenen Gleichgewichte. In diesem Fall liegen alle Reaktionspartner im gleichen Aggregatzustand vor, sprich alle Teilchen sind flüssig oder gasförmig. In einem homogenen Gleichgewicht liegen also alle Reaktionspartner in einer Phase vor.

Auf der anderen Seite gibt es dann die heterogenen Gleichgewichte. Wie der Name schon verrät, gibt es hier mindestens einen Reaktionspartner, der sich in seinem Aggregatzustand von den übrigen unterscheidet.

Gleichgewichtsreaktionen Redoxreaktionen

Ein Beispiel für heterogene Gleichgewichte ist die Reduktion von Kohlenstoffdioxid \((CO_2)\) mit festem Kohlenstoff \((C)\) zu Kohlenmonoxid \((CO)\):

$$C (s) + CO_2 (g) \rightleftharpoons 2\:CO (g)$$

In diesen Fällen wird für das Massenwirkungsgesetz die Konzentration des Feststoffs gleich 1 gesetzt. Der Grund hierfür liegt darin, dass Feststoffe in der Regel im Überschuss vorliegen, wodurch die Konzentration als konstant angenommen werden kann. Das Massenwirkungsgesetz für die Reaktion sieht dann wie folgt aus:

$$K_c = \frac {c_{CO}^2}{c_{C} \cdot c_{CO_{2}}} = \frac{c_{CO}^2}{1 \cdot c_{CO_{2}}}$$

Gleichgewichtsreaktionen Beispiele

Zum Abschluss gibt es jetzt noch eine Beispielreaktion, an der das Prinzip von Gleichgewichtsreaktionen noch mal ausführlich verdeutlicht wird.

Reagieren Wasserstoff (H₂) und Iod (I₂) miteinander, bildet sich Iodwasserstoff (HI). Da diese Reaktion, wie viele andere, nicht vollständig abläuft, stellt sich auch hier ein Gleichgewicht ein. Gibst Du beispielsweise 1 mol H₂ und 1 mol I₂ in ein Gefäß, so werden bei einer Temperatur von 490 °C nur 1,544 mol HI gebildet. Das Produkt liegt im Gleichgewicht neben je 0,228 mol H₂ und I₂, die nicht weiter reagieren, vor.

Du kannst das Einstellen des chemischen Gleichgewichts aber auch aus der Sicht der Rückreaktion betrachten. Gibst Du nun 2 mol Iodwasserstoff (HI) in ein Gefäß, beginnt diese Verbindung in seine Bestandteile zu zerfallen. Hierbei entstehen dann wieder molekularer Wasserstoff (H₂) und molekulares Iod (I₂). Auch hier stellt sich der Gleichgewichtszustand bei den gleichen Stoffmengen ein. In diesem Punkt laufen Hin- und Rückreaktion dann mit gleicher Geschwindigkeit ab, sodass sich die Zahl der Teilchen von Produkten und Edukten nicht weiter verändert.