4 Chemisches Gleichgewicht und Reaktionsgeschwindigkeit 4.1 Gleichgewichtsreaktion und Massenwirkungsgesetz • Gleichgewichtsreaktion In einer Reaktionsgleichung kennzeichnet man eine reversible Reaktion durch einen Doppelpfeil. Hinreaktion aA + bB cC + dD Rückreaktion - keine vollständige Umwandlung der Ausgangsstoffe in die Reaktionsprodukte - chemisches Gleichgewicht mit gleicher für Hin- und Rückreaktion (vHin = vRück) Reaktionsgeschwindigkeit - dabei konstantes Verhältnis zwischen den Stoffmengen der Ausgangsstoffe und der Reaktionsprodukte Einstellung des chemischen Gleichgewichts Bei der thermodynamischen Betrachtung von Gleichgewichtsreaktionen spielt der Faktor Zeit, also die Reaktionsgeschwindigkeit, keine Rolle. Gleichgewichtsreaktion bei Raumtemperatur 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(g) - Lage des chemischen Gleichgewichts vollständig auf der Seite des Reaktionsproduktes Kc ≈ 1040 L ⋅ mol-1 - Reaktionsgeschwindigkeit jedoch unmessbar klein • Das Massenwirkungsgesetz (Cato Maximilian Guldberg, Peter Waage, 1867) Das Massenwirkungsgesetz gilt für jede beliebige chemische Reaktion im Gleichgewichtszustand. Hinreaktion aA + bB cC + dD Rückreaktion Kc = c c ( C ) ⋅ c d (D ) c a ( A ) ⋅ c b (B ) c = Konzentration des Stoffes im Gleichgewichtszustand in mol ⋅ L-1 Kc = Gleichgewichtskonstante Gleichgewichtskonstante abhängig von der Temperatur unabhängig von den eingesetzten Stoffmengen, vom Druck oder von einem Katalysator Kc > 1 Gleichgewicht liegt auf der rechten Seite der Gleichung Kc ≈ 1 Im Gleichgewicht vergleichbar große Konzentrationen aller Stoffe Kc < 1 Gleichgewicht liegt auf linken Seite der Gleichung der Formulieren Sie das Massenwirkungsgesetz für die folgende Gleichgewichtsreaktion N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) Ermitteln Sie die Einheiten von Kc für folgende Gleichgewichtsreaktionen! A +B C A B+C A +B C+D Reaktionsquotient Q Ausgangsstoffe und nicht im Gleichgewicht Reaktionsprodukte sind Hinreaktion aA + bB cC + dD Rückreaktion - Beim Einsetzen der vorliegenden Konzentrationen wird der Reaktionsquotient Q gebildet c c ( C ) ⋅ c d (D ) Q = a c ( A ) ⋅ c b (B ) - Q < Kc : Reaktion verläuft von links nach rechts Q = Kc : System im Gleichgewicht Q > Kc : Reaktion verläuft von rechts nach links Q Kc Kc Q nach rechts Q Kc nach links In einem Reaktor befinden sich 2 mol ⋅ L-1 H2, 1 mol ⋅ L-1 I2 und 10 mol ⋅ L-1 HI. In welche Richtung verschiebt sich das chemische Gleichgewicht bei 425 °C (Kc = 54,5) und 490 °C (Kc = 45,9)? H2 (g) + I2 (g) c 2 (HI) Kc = c(H2 ) ⋅ c(I 2 ) 425 °C: 490 °C: 2 HI (g) • Heterogene Gleichgewichte Die im Gleichgewicht befindlichen Stoffe liegen in verschiedenen Phasen vor. Die konstanten Konzentrationen von reinen Feststoffen und Flüssigkeiten gehen in die Gleichgewichtskonstante Kc ein. Brennen von Kalk CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g) Kc = c (CO2) Löslichkeit schwerlöslicher Ionenverbindungen Die Löslichkeit schwerlöslicher Ionenverbindungen in Wasser (Löslichkeitsprodukt) lässt sich als heterogene Gleichgewichtsreaktion beschreiben s. 5.4 CaCO3(s) Ca2+(aq) + CO32-(aq) Kc = c(Ca2+) ⋅ c(CO32-)