EL-MO Elemente und Moleküle, Schulbuch

Die Gleichgewichtskonstante 4.2 Das Massenwirkungsgesetz (MWG) 94 94 Abb. 094–1: Die Gleichgewichtskonstanten der Bildung und des Zerfalls von Ammo- niak aus den / in die Elemente(n) Zur Abschätzung der Gleichgewichtslage formulierten Cato M. Guldberg (1836 – 1902) und Peter Waage (1833 –1900) im Jahre 1867 das Massenwirkungsgesetz . Das Massenwirkungsgesetz ist die mathematische Betrachtung des Phänomens Gleichgewicht. Formulierung des Massenwirkungsgesetzes Das Produkt der Gleichgewichtskonzentrationen der Produkte dividiert durch das Produkt der Gleichgewichtskonzentrationen der Edukte ergibt die Gleich- gewichtskonstante K . Für die allgemeine Reaktion A + B D + E gilt: Bei Reaktionen mit stöchiometrischen Faktoren ungleich 1 muss man beach- ten, dass auch die stöchiometrischen Faktoren in das Massenwirkungsgesetz eingehen. Für die allgemeine Reaktion x A + y B u D + v E gilt: Die Gleichgewichtskonstante K Die Gleichgewichtskonstante ist bei einer gegebenen Temperatur für eine be- stimmte Reaktion charakteristisch. Sie ist ein Maß dafür, wie vollständig eine Reaktion abläuft. Die Gleichgewichtskonstanten verschiedener Reaktionen wur- den experimentell bestimmt und liegen in der chemischen Literatur auf. Je größer die Gleichgewichtskonstante ist, desto stärker liegt das Gleichgewicht bei den Produkten. Dies folgt aus der Formulierung des MWG. Die Produkte ste- hen im Zähler. Formuliert man die Reaktionsgleichung in umgekehrter Richtung (zB Zerfall von Ammoniak in die Elemente Stickstoff und Wasserstoff) so entspricht die Gleich- gewichtskonstante dem Kehrwert der ursprünglichen Reaktion (Abb 94–1). Die Gleichgewichtskonstante K wird üblicherweise ohne Einheiten angegeben. Beurteilung von Reaktionen aufgrund von K Ist die Gleichgewichtskonstante bekannt, lassen sich Aussagen über die Reakti- on treffen (die Fälle stimmen mit den Fällen aus 4.1 überein): 1. K ist sehr groß: Im Gleichgewicht liegen die Endstoffe im Über- schuss vor; praktisch vollständig ablaufende Reaktion; „das Gleich- gewicht liegt bei den Produkten“. Chlorknallgas-Reaktion: H 2 + Cl 2 2 HCl K = 2,75 • 10 33 Bei einer so großen Gleichgewichtskonstante sind im Gleichge- wicht kein H 2 und Cl 2 mehr nachweisbar (Abb. 94–2). 2. K ist sehr klein: Im Gleichgewicht liegen die Edukte im Überschuss vor; die Reaktion läuft praktisch nicht ab; „das Gleichgewicht liegt bei den Edukten“. Bildung von Stickstoffmonoxid: N 2 + O 2 2 NO K = 3,87 • 10 –31 Bei Raumtemperatur ist im Gleichgewicht kein NO nachweisbar. 3. K ist ungefähr 1: Im Gleichgewicht liegen Edukte und Produkte in ähnlichen Mengen vor; „das Gleichgewicht liegt in der Mitte“. Bildung von Distickstofftetraoxid 2 NO 2 N 2 O 4 K = 9,046 Im Gleichgewicht sind beide Stoffe in nachweisbaren Mengen vor- handen (Abb. 94–3). K = c g (D) • c g (E) c g (A) • c g (B) K = [D] • [E] [A] • [B] Vereinfachung der Schreibweise der Gleichgewichtskonzentrationen K = c g (D) u • c g (E) v c g (A) x • c g (B) y K = [D] u • [E] v [A] x • [B] y bzw. Ausgangszustand Gleichgewicht c 0 (Cl 2 ) = 9 c g (Cl 2 ) ~ 0 c g (HCl) = 18 c g (H 2 ) ~ 0 K = 2,75 • 10 33 c 0 (H 2 ) = 9 Abb. 094–2: Reaktion mit großem K Abb. 094–3: Reaktion mit K ≈ 1 Notiere das MWG folgender Reaktionen: a) H 2 + I 2 2 HI b) 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 Üb Übungen 94.1 N 2 + 3 H 2 2 NH 3 K 1 = [NH 3 ] 2 [N 2 ] • [H 2 ] 3 2 NH 3 N 2 + 3 H 2 K 2 = [NH 3 ] 2 [N 2 ] • [H 2 ] 3 K 2 = 1 K 1 Ausgangszustand Gleichgewicht c 0 (NO 2 ) = 19 c g (N 2 O 4 ) = 9 c g (NO 2 ) = 1 K = 9 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des V rlags öbv