Elemente und Moleküle, Schulbuch

48 3 DIe CHeMISCHe ReAKtIoN Das Massenwirkungsgesetz (MWG) Zur Abschätzung der Gleichgewichtslage formulierten Cato M. Guldberg (1836– 1902) und Peter Waage (1833–1900) im Jahre 1867 das Massen-wirkungsgesetz. Im Gleichgewicht gilt: v Hin = v Rück v Hin = k Hin • c g (A) • c g (B) v Rück = k Rück • c g (D) • c g (E) ⇒ k Hin • c g (A) • c g (B) = k Rück • c g (D) • c g (E) Die beiden Konstanten k Hin und k Rück werden zu einer neuen Konstante – der Gleich- gewichtskonstanten K – verknüpft: Diese Beziehung heißt Massenwirkungsgesetz (MWG) . Vereinbarungsgemäß steht im Massenwirkungsgesetz im Zähler das Produkt der Konzentrationen der Endstoffe und im Nenner das Produkt der Konzentrationen der Ausgangsstoffe. Bei komplizierteren Reaktionen muss man beachten, dass au ch die stöchiomet- rischen Faktoren ins Massenwirkungsgesetz eingehen: H 2 + I 2 2 HI oder HI + HI N 2 + 3 H 2 2 NH 3 Die Gleichgewichtskonstante wird zumeist ohne Einheit angegeben, weil die Einheit von der Reaktion abhängt und damit immer unterschiedlich ist. Die Gleichgewichtskonstante ist von den Ausgangskonzentrationen unabhängig. Wird viel Ausgangsstoff eingesetzt, entsteht im Verhältnis auch viel an Produkt; bei wenigen Ausgangsstoffen bildet sich auch wenig an Produkten. Das Konzentrati- onsverhältnis im Gleichgewicht bleibt daher immer konstant. Ist die Gleichgewichtskonstante bekannt, lassen sich Aussagen über die Reaktion treffen: a) K ist sehr groß ⇒ im Gleichgewicht liegen die Endstoffe im Überschuss vor; praktisch vollständig ablaufende Reaktion; „das Gleichgewicht liegt bei den Endstoffen“. Beispiel: Chlorknallgas-Reaktion H 2 + Cl 2 2 HCl K = 2,75 • 10 33 Bei einer so großen Gleichgewichtskonstante sind im Gleichgewicht kein H 2 und Cl 2 mehr nachweisbar. b) K ist ungefähr 1 ⇒ Ausgangsstoffe und Endstoffe liegen in ungefähr gleichen Mengen vor; „das Gleichgewicht liegt in der Mitte“. Beispiel: Bildung von Distickstofftetraoxid 2 NO 2 N 2 O 4 K = 9,046 Im Gleichgewicht sind beide Stoffe in nachweisbaren Mengen vorhanden. c) K ist sehr klein ⇒ im Gleichgewicht liegen die Ausgangsstoffe im Überschuss vor; die Reaktion läuft praktisch nicht ab; „das Gleichgewicht liegt bei den Aus- gangsstoffen“. Beispiel: Bildung von Stickstoffmonoxid aus den Elementen N 2 + O 2 2 NO K = 3,87 • 10 –31 Bei Raumtemperatur ist im Gleichgewicht kein NO nachweisbar. Bei der Luft- zusammensetzung und der Giftigkeit von NO ist das ein ausgesprochen glück- licher Sachverhalt. k hin = K = k rück c g (D) • c g (E) c g (A) • c g (B) [D] • [E] [A] • [B] = c g (HI) • c g (HI) K = c g (H 2 ) • c g (I 2 ) = [ c g (HI) ] 2 c g (H 2 ) • c g (I 2 ) K = [ c g (NH 3 ) ] 2 c g (N 2 ) • [ c g (H 2 ) ] 3 k H = k hin = Geschwindigkeitskonstante für die Hinreaktion k R = k rück = Geschwindigkeitskonstante für die Rückreaktion c 0 = Anfangskonzentration c = Momentankonzentration c g = [ ] = Gleichgewichtskonzentration Die Gleichgewichtskonstante K ist: • temperaturabhängig • für eine Reaktion charakteristisch • immer gültig, wenn Substanzen vorliegen • unabhängig von c 0 ■ 48.1: Erstell das Massenwirkungs- gesetz für die im Text ange- führten Reaktionen a) bis c)! ÜBUNGeN A + B D + E Hinreaktion Rückreaktion v 0 = k H • c 0 (A) • c 0 (B) v 0 = k R • c 0 (D) • c 0 (E) nimmt ab nehmen ab nimmt zu nehmen zu v g = k H • c g (A) • c g (B) v g = k R • c g (D) • c g (E) Ohne äußeren Einfluss keine Veränderung mehr K = k hin k rück c g (D) • c g (E) = c g (D) • c g (E) [D] • [E] = [A] • [B] Für eine Reaktionsgleichung mit Faktoren ≠ 1 gilt: K = [D] u • [E] v [A] x • [B] y x A + y B u D + v E Abb. 48.1: Das Massenwirkungsgesetz und die Gleichgewichtskonstante Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv