EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Hin- und Rückreaktion 4.1 Phänomenologische Betrachtungen 92 92 Das chemische Gleichgewicht beschreibt einen Zustand, in dem sich die Kon- zentrationen der beteiligten Stoffe nicht mehr ändern. Es handelt sich nicht um ein statisches Gleichgewicht, wie es äußerlich betrachtet erscheint, sondern um ein dynamisches Gleichgewicht, in dem weiterhin Reaktionen ablaufen. Dieser Zustand erscheint für den Betrachter wie das Ende der Reaktion. Das Verständ- nis für das Phänomen Gleichgewicht ist Grundvoraussetzung für das Verständ- nis der Chemie. Konzentrationsveränderung im Laufe einer Reaktion Es gibt prinzipiell drei Möglichkeiten, wie eine chemische Reaktion verlaufen kann. (Abb. 92–1 bis 92–3) 1. Reaktionen können (fast) vollständig ablaufen. Die Edukte werden ver- braucht, und die entsprechende Menge an Produkten entsteht. Solche Reaktionen werden manchmal als irreversible Reaktionen bezeichnet. 2. Reaktionen laufen (fast) nicht ab. Auch am Ende der Reaktion liegen kaum Produkte vor. 3. Bei manchen Reaktionen liegen Edukte und Produkte in vergleichba- ren Mengen vor. Solche Reaktionen werden manchmal als reversible Reaktionen bezeichnet. Die Ausgangskonzentration c 0 ist die Konzentration, die bei den Edukten vom Experimentator gewählt wird. Die Ausgangskonzentration der Endstoffe ist üb- licherweise vor Beginn der Reaktion 0. Im Laufe der Reaktion ändern sich die Konzentrationen laufend und man spricht von Momentankonzentrationen. Am „Ende“, das in der Chemie als Gleichgewicht bezeichnet wird, liegen die soge- nannten Gleichgewichtskonzentrationen c g vor, die sich nicht mehr ändern. Es ist unmöglich, mit dem bisherigen Wissen Aussagen zu treffen, wie vollstän- dig Reaktionen ablaufen und von welchen Faktoren das „Reaktionsende“ beein- flusst wird. Die Hin- und Rückreaktion Folgende allgemeine Reaktion wird betrachtet: A + B → D + E Zu Beginn der Reaktion liegt eine bestimmte Konzentration der Stoffe A und B vor – c 0 (A), c 0 (B). Durch Zusammenstoß der Teilchen kommt es zur Bildung der Produkte, und die Konzentration von A und B nimmt ab. Durch die Konzentra- tionsabnahme verringert sich auch die Reaktionsgeschwindigkeit der Hinreak- tion, da die Reaktionsgeschwindigkeit zur Konzentration proportional ist. Die Veränderung der Konzentration der Edukte ist in den Abbildungen auf dieser Seite durch den braunen Graphen dargestellt. Im Reaktionsgefäß können aber auch die Teilchen D und E zusammenstoßen und reagieren. Dh., es tritt eine Rückreaktion ein mit einer Geschwindigkeit, die der Konzentration der Stoffe D und E proportional ist. Durch die Zunahme der Konzentrationen der Produkte erhöht sich die Geschwindigkeit der Rückreakti- on. Die Veränderung der Konzentration der Produkte ist in diesen Abbildungen durch den grünen Graphen dargestellt. v Hinreaktion = v Rückreaktion Irgendwann tritt der Fall ein, dass die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich groß ist wie die Geschwindigkeit der Rückreaktion. Ab diesem Zeitpunkt än- dern sich die Konzentrationen der beteiligten Stoffe nicht mehr. Es werden zwar ständig aus den Stoffen A und B die Stoffe D und E gebildet, aber in derselben Zeiteinheit entsteht aus D und E wiederum A und B. Dieser Zustand, der für einen Beobachter das Ende der Reaktion bedeutet, wird als chemisches Gleichgewicht bezeichnet, weil sich hier zwei entgegengesetzt gerichtete Reaktionen die Balance halten („dynamisches Gleichgewicht“). Daher spricht man in der Chemie nicht vom Ende einer Reaktion, sondern sagt, „die Reaktion befindet sich im Gleichgewicht“. Abb. 092–3: Reaktionsverlauf einer teilweise ablaufenden Reaktion Abb. 092–1: Reaktionsverlauf einer fast voll- ständig ablaufenden Reaktion Abb. 092–2: Reaktionsverlauf einer nicht (kaum) ablaufenden Reaktion Konzentration Reaktionsablauf D + E Einstellung des Gleichgewichtes A + B reversible Reaktion – teilweiser Ablauf c 0 (A, B) c 0 (D, E) c g (A, B) c g (D, E) Konzentration Reaktionsablauf D + E Einstellung des Gleichgewichtes A + B fast kein Reaktionsablauf c 0 (A, B) c 0 (D, E) c g (A, B) c g (D, E) Konzentration Reaktionsablauf D + E Einstellung des Gleichgewichtes A + B irreversible Reaktion – fast vollständiger Ablauf c 0 (A, B) c 0 (D, E) c g (A, B) c g (D, E) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv