8.2: Chemisches Gleichgewicht

Lernergebnisse

• Erläutern Sie das chemische Gleichgewicht.
• Schreiben Sie einen Ausdruck zur Berechnung von \(K\).
• Berechnen und vergleichen Sie Q- und K-Werte.
• Bestimmen Sie die relativen Mengen der Reaktanten und Produkte anhand der Gleichgewichtskonstante \(K\).

Bedingungen für das Gleichgewicht und Arten des Gleichgewichts

Es mag verlockend sein zu denken, dass die Reaktion aufhört, sobald das Gleichgewicht erreicht ist. Das chemische Gleichgewicht ist ein dynamischer Prozess. Die Vorwärts- und Rückwärtsreaktionen laufen auch nach Erreichen des Gleichgewichts weiter ab. Da die Reaktionsgeschwindigkeiten jedoch gleich sind, ändern sich die relativen Konzentrationen von Reaktanten und Produkten bei einer Reaktion im Gleichgewicht nicht. Die Bedingungen und Eigenschaften eines Systems im Gleichgewicht sind im Folgenden zusammengefasst.

1. Das System muss geschlossen sein, d. h. es können keine Stoffe in das System eintreten oder es verlassen.
2. Das Gleichgewicht ist ein dynamischer Prozess. Auch wenn wir die Reaktionen nicht unbedingt sehen, finden sowohl Vorwärts- als auch Rückwärtsreaktionen statt.
3. Die Raten der Vorwärts- und Rückwärtsreaktionen müssen gleich sein.
4. Die Menge der Reaktanten und Produkte muss nicht gleich sein. Nach Erreichen des Gleichgewichts sind die Mengen der Reaktanten und Produkte jedoch konstant.

Die Beschreibung des Gleichgewichts in diesem Konzept bezieht sich in erster Linie auf das Gleichgewicht zwischen Reaktanten und Produkten in einer chemischen Reaktion. Andere Arten des Gleichgewichts sind das Phasengleichgewicht und das Lösungsgleichgewicht. Ein Phasengleichgewicht liegt vor, wenn sich eine Substanz im Gleichgewicht zwischen zwei Zuständen befindet. Ein Phasengleichgewicht liegt vor, wenn ein Stoff zwischen zwei Zuständen im Gleichgewicht ist, z. B. wenn in einem verschlossenen Wasserkolben die Verdampfungsrate gleich der Kondensationsrate ist. Ein Lösungsgleichgewicht tritt ein, wenn sich ein fester Stoff in einer gesättigten Lösung befindet. An diesem Punkt ist die Auflösungsrate gleich der Rekristallisationsrate. Obwohl es sich um verschiedene Arten von Umwandlungen handelt, gelten die meisten Gleichgewichtsregeln für jede Situation, in der ein Prozess reversibel abläuft.

Rote Blutkörperchen transportieren Sauerstoff zu den Geweben, damit diese funktionieren können. In Abwesenheit von Sauerstoff können die Zellen ihre biochemischen Aufgaben nicht wahrnehmen. Der Sauerstoff gelangt zu den Zellen, indem er an das Hämoglobin gebunden wird, ein Protein, das in den roten Blutkörperchen vorkommt. Bei einer Kohlenmonoxidvergiftung bindet sich \(\ce{CO}\) viel stärker an das Hämoglobin, wodurch die Sauerstoffbindung blockiert und die Sauerstoffmenge, die die Zellen erreicht, verringert wird. Zur Behandlung muss der Patient reinen Sauerstoff einatmen, um das Kohlenmonoxid zu verdrängen. Die unten dargestellte Gleichgewichtsreaktion veranschaulicht die Verschiebung nach rechts, wenn dem System überschüssiger Sauerstoff zugeführt wird:

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Gleichgewichtskonstante

Betrachten Sie die hypothetische reversible Reaktion, bei der die Reaktanten \(\ce{A}\) und \(\ce{B}\) zu den Produkten \(\ce{C}\) und \(\ce{D}\) reagieren. Dieses Gleichgewicht kann unten dargestellt werden, wobei die Kleinbuchstaben die Koeffizienten der einzelnen Stoffe darstellen.

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Wie wir festgestellt haben, sind die Raten der Vorwärts- und Rückwärtsreaktionen im Gleichgewicht gleich, so dass die Konzentrationen aller Stoffe konstant sind. Da dies der Fall ist, liegt es auf der Hand, dass das Konzentrationsverhältnis für jede beliebige Reaktion im Gleichgewicht einen konstanten Wert beibehält. Die Gleichgewichtskonstante \(\left( K_\text{eq} \right)\) ist das Verhältnis zwischen dem mathematischen Produkt der Produkte einer Reaktion und dem mathematischen Produkt der Konzentrationen der Reaktionspartner der Reaktion. Jede Konzentration wird in der ausgeglichenen chemischen Gleichung mit der Potenz ihres Koeffizienten multipliziert. Für die obige allgemeine Reaktion wird die Gleichgewichtskonstante wie folgt ausgedrückt:

\^c \left^d}{\left^a \left^b}\]

Die Konzentrationen der einzelnen Stoffe, die durch die eckigen Klammern um die Formel angegeben sind, werden in Molaritätseinheiten \(\left( \text{mol/L} \right)\) gemessen.

Der Wert der Gleichgewichtskonstante für eine beliebige Reaktion wird nur durch Experimente bestimmt. Wie im obigen Abschnitt beschrieben, hängt die Gleichgewichtslage für eine bestimmte Reaktion nicht von den Ausgangskonzentrationen ab, so dass der Wert der Gleichgewichtskonstante wirklich konstant ist. Sie hängt jedoch von der Temperatur der Reaktion ab. Dies liegt daran, dass das Gleichgewicht als ein Zustand definiert ist, der sich daraus ergibt, dass die Raten der Vorwärts- und Rückwärtsreaktionen gleich sind. Ändert sich die Temperatur, so ändert sich die Gleichgewichtskonstante durch die entsprechende Änderung der Reaktionsgeschwindigkeiten. Für jede Reaktion, für die ein K_\text{eq}\) angegeben wird, sollte die Temperatur angegeben werden.

Wenn \(K_\text{eq}\) größer als 1 ist, ist der Zähler größer als der Nenner, so dass die Produkte bevorzugt werden, was bedeutet, dass die Konzentration der Produkte größer als die der Reaktanten ist.

Wenn \(K_\text{eq}\) kleiner als 1 ist, dann sind die Reaktanten bevorzugt, weil der Nenner (Reaktanten) größer ist als der Zähler (Produkte).

Wenn \(K_\text{eq}\) gleich 1 ist, dann sind die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte ungefähr gleich.

Beteiligte und Zuschreibungen

• CK-12 Stiftung von Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, und Jean Dupon.

• Allison Soult, Ph.D. (Abteilung für Chemie, Universität von Kentucky)