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Chemisches Gleichgewicht


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Das Chemische Gleichgewicht gehört zur Gruppe der dynamischen Gleichgewichte .

Grundsätzlich kann sich bei umkehrbaren chemischen ein Gleichgewicht einstellen.

Bei umkehrbaren (reversiblen) Reaktionen können Hin- Rückreaktion ablaufen.

Reaktionen die einen Gleichgewichtszustand einnehmen können als Gleichgewichtsreaktionen bezeichnet.

Inhaltsverzeichnis

Der Gleichgewichtszustand

Obwohl Hin- und Rückreaktion beständig ablaufen Edukte in Produkte und diese wiederum in umgewandelt werden verändern sich im Gleichgewicht die der Edukte und Produkte nicht.

Die Gleichgewichtskonzentrationen der Edukte und Produkte konstant und für jede Reaktion charakteristisch.

Im Gleichgewicht ist die Geschwindigkeit der ist gleich der Geschwindigkeit der Rückreaktion.

Das Massenwirkungsgesetz

Ableitung

Die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion ist proportional zur Konzentration der Edukte:
v ~ c(Edukte)

Je höher die Konzentration der Edukte desto schneller läuft die Reaktion ab.

Im Verlauf einer Gleichgewichtsreaktion nimmt die der Edukte ständig ab. Dadurch verringert sich die Geschwindigkeit der Hinreaktion. Gleichzeitig nimmt die der Produkte ständig zu. Dadurch vergrößert sich Geschwindigkeit der Rückreaktion. Sind schließlich beide Reaktionsgeschwindigkeiten wird in gleichen Zeitspannen ebenso viel Produkt Edukt gebildet: Das Gleichgewicht ist erreicht.

Für die Reaktion gilt:

<math>a A + b B</math> <math>c C d D</math>

<math>v_{hin}=k_{hin}\cdot c(A)^a\cdot c(B)^B</math>

<math>v_{r\ddot uck}=k_{r\ddot uck}\cdot c(C)^c\cdot c(D)^D</math>

im Gleichgewichtszustand gilt dann:

<math>v_{hin}=v_{r\ddot uck}</math>

Daraus folgt:

<math>K=\frac{k_{hin}}{k_{r\ddot uck}}=\frac{c(C)^c\cdot c(D)^D}{c(A)^a\cdot c(d)^d}</math>

Zeichenerkärung: k hin : Geschwindigkeitskonstante der Hinreaktion; k rück : Geschwindigkeitskonstante der Rückreaktion; K: Gleichgewichtskonstante oder

Gleichgewichtslage

Die Lage eines Gleichgewichts – und die Gleichgewichtskonstante – ist durch die Reaktionsbedingungen und Druck festgelegt.
Ist die Gleichgewichtskonstante sehr groß liegt das praktisch vollständig auf der Seite der Produkte.
Ist die Gleichgewichtskonstante sehr klein liegt das praktisch vollständig auf der Seite der Edukte.

Eine Zunahme der Gleichgewichtskonstante K bedeutet Verschiebung des Gleichgewichts auf die Seite der eine Abnahme von K bedeutet eine Verschiebung Gleichgewichts auf die Seite der Edukte.

Einfluss eines Katalysators

Ein Katalysator beschleunigt Hin- und Rückreaktion auf die Weise. Er verändert damit nicht die Gleichgewichtskonzentrationen Edukte und Produkte bewirkt aber dass sich Gleichgewichtszustand schneller einstellt.

Störung des Gleichgewichtes

Wird ein chemisches Gleichgewicht gestört (z. durch Hinzufügen eines Produktes) dann läuft diejenige (im Beispiel Hinreaktion) beschleunigt ab die diese wieder rückgängig macht. (Prinzip von LeChatelier )

Konzentrationsänderungen

Zufuhr bzw. Wegnahme eines Reaktionspartners verschiebt Gleichgewicht in die Richtung die einen Teil Komponente verbraucht bzw. entstehen lässt.

Soll ein Gleichgewicht vollständig zugunsten eines ablaufen genügt es eines der Produkte aus Reaktionsgemisch zu entfernen. Dadurch wird die Rückreaktion

Verändert man die Konzentration von einem am Gleichgewicht beteiligten Stoffe ändern sich die aller anderen Partner.

Da das Gleichgewicht nur von der und ggf. vom druck abhängt erfolgt die mit dem Ziel das ursprüngliche Gleichgewicht wieder Für eine Gleichgewichtsreaktion

<math>a A + b B</math> <math>c C d D</math>
mit
<math>K=\frac{k_{hin}}{k_{r\ddot uck}}=\frac{c(C)^c\cdot c(D)^D}{c(A)^a\cdot c(d)^d}</math>

lassen sich dabei folgende Fälle unterscheiden:
Änderung bewirkt Zugabe von A bzw. B Zunahme der Produkte
Zugabe von C bzw. D Zunahme der Edukte
Entzug von A bzw. B Zunahme der Edukte
Entzug von C bzw. D Zunahme der Produkte

Beispiele:

  • Fällungsreaktionen
  • Fehlingreaktion
  • Eisenrhodanit-Reaktion

Eine Änderung der Reaktionsbedingungen Temperatur und führt zu einer Verschiebung des Gleichgewichts und zu einer Änderung der Gleichgewichtskonzentrationen:

Zufuhr bzw. Entzug von Wärme / Änderung Temperatur

Wärmezufuhr bzw. Wärmeentzug bewirken eine Gleichgewichtsverschiebung die Einstellung eines neuen Gleichgewichts mit veränderten Wärmeentzug begünstigt die Wärme liefernde ( exotherme ) Reaktion Wärmezufuhr die Wärme verbrauchende ( endotherme ) Reaktion. Dadurch fällt die Temperaturänderung des geringer aus als ohne Gleichgewichtsverschiebung.

Eine Temperaturänderung führt immer zu einer der Gleichgewichtskonzentrationen. Welche Konzentration dabei zunehmen bzw. hängt davon ab ob die Bildung der exotherm oder endotherm ist:

Art der Reaktion Zunahme der
Temperaturzunahme exotherm Edukte
endotherm Produkte
Temperaturabnahme exotherm Produkte
endotherm Edukte

Volumenänderung / Änderung des Drucks

Das System verringert den durch die erzeugten Druck indem es zugunsten der Seite die die geringere Teilchenzahl aufweist und somit kleinere Volumen benötigt.

Eine von außen bewirkte Volumenänderung beeinflusst Gleichgewichte ohne Beteiligung von Gasen kaum und bei denen gasförmige Stoffe beteiligt sind nur wenn sich die Teilchenzahl in der Gasphase Gleichgewichtsverschiebung ändert. Bei Änderung der Teilchenzahl bewirkt Volumenänderung eine Druckänderung die geringer ausfällt als die Gase zu keiner Reaktion fähig wären. Volumenverkleinerung /-vergrößerung verschiebt das Gleichgewicht in Richtung / größerer Teilchenzahl des gasförmigen Systems. Dadurch die Druckerhöhung weniger stark aus.

Gleichgewichtsreaktionen an denen Gase beteiligt sind häufig mit einer Änderung der Teilchenzahl verbunden. einem geschlossenen System kann man daher je Reaktionsbedingungen eine Druckänderung oder eine Volumenänderung feststellen.

Die Lage des Gleichgewichts kann durch Druckerhöhung von außen beeinflusst werden: - bei Reaktionsvolumen durch weitere Zufuhr von Edukten - veränderlichem Reaktionsvolumen durch Komprimieren Wird ein einem Stoffsystem der Druck erhöht verlagert sich das nach der Seite geringerer Teilchenzahlen.

Bei Reaktionen die mit keiner Änderung Teilchenzahl verbunden sind führt eine Druckänderung zu Verschiebung des Gleichgewichts.

Einen besonderen Fall stellen Gleichgewichtsreaktionen dar denen gasförmige Produkte vorliegen. Findet die Reaktion einem offenen System statt kann das bei Reaktion entstehende gas ständig entweichen. Dadurch wird neues Gas produziert das wiederum entweicht. Diese des Gleichgewichts führt dazu dass es sich mehr einstellen kann: die Reaktion verläuft vollständig Produktseite.

Das Prinzip des kleinsten Zwangs

Alle Maßnahmen die das chemische Gleichgewicht lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
  

Gleichgewicht

Änderung von__ 

Druck und Temperatur

 Veränderte Anteile der beteiligten Stoffe  

Neues Gleichgewicht stellt sich ein Änderung

 Konzentration  
Veränderte Anteile der beteiligten Stoffe

Altes Gleichgewicht stellt sich ein

Eine Druckänderung wirkt sich nur in geschlossenen System auf das Gleichgewicht aus.

Das Verhalten eines im chemischen Gleichgewicht Systems gegenüber den äußeren Einflüssen Druck und folgt einem allgemeinen Prinzip:

  • Wird auf ein Gleichgewicht in zwang ausgeübt eine Verschiebung dieses Gleichgewichts mit dem Bestreben von außen aufgezwungenen Änderung auszuweichen.

  • Übt man auf ein im Gleichgewicht befindliches System Zwang aus durch Zufuhr bzw. Entzug Wärme durch Änderung des Volumens oder der so verschiebt sich das Gleichgewicht in die in der die Folgen des Zwanges (Temperatur- und Konzentrationsänderung) verringert werden.

- Eine Wärmezufuhr begünstigt endotherme Vorgänge der drohenden Temperaturerhöhung auszuweichen - Auf eine reagiert eine Gleichgewichtsreaktion gegebenenfalls mit einer Verringerung Volumens um der Druckerhöhung auszuweichen.

Bei konstantem Druck und konstanter Temperatur die Reaktionspartner eines Gleichgewichts in bestimmten Konzentrationen Wenn die Aktivierungsenergien für die Hin- und unterschiedlich sind müssen auch die Geschwindigkeitskonstanten unterschiedlich

Bei großen Ansammlungen von Molekülen spielt allein die innere Energie der Moleküle eine Vielmehr ist die freie Enthalpie die entscheidende Deshalb gilt: Je größer der Unterschied in freien Enthalpie zwischen Edukten und Produkten ist mehr liegt das Gleichgewicht auf der Seite der niedrigeren freien Enthalpie.

Beispiele:



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