Aufgaben
- Machen Sie sich mit Hilfe von M1 vertraut, wie man aus einer Reaktionsgleichung das sogenannte Massenwirkungsgesetz ableitet.
- Beim Estergleichgewicht ist K ca. 4. Es gibt aber auch Reaktionen, für die K den Wert von 1000 oder auch 0,000000001 hat. Erklären Sie die Bedeutung des Werts der Gleichgewichtskonstanten für das Verhältnis von Produkten und Edukten im Gleichgewicht.
- Ein Blick nach vorne: In Systemen stellt sich irgendwann das chemische Gleichgewicht ein und der Massenwirkungsquotient Q entspricht der Gleichgewichtskonstante K. Stellen Sie eine Hypothesen auf, was passiert, wenn dann weitere Edukte (Ausgangsstoffe) oder Produkte (Endstoffe) von außen hinzugeben werden.
Was beschreibt das Massenwirkungsgesetz?
Weiteres
Wie du weißt erkannten die Norweger Cato Guldberg und Peter Waage bereits 1864, dass die Reaktionsraten für eine Hin- und eine Rückreaktion in geschlossenen Gefäßen irgendwann immer gleich groß werden und damit die Konzentrationen aller Stoff irgendwann konstant bleiben.1 In dieser Zeit sprach man noch nicht von Konzentrationen, sondern man von wirkenden Massen. Seitdem wird die erkannte Gesetzmäßigkeit Massenwirkungsgesetz genannt. Ein Massenwirkungsgesetz kann man für jede beliebige Reaktion aus der Reaktionsgleichung ableiten:
Weiteres
Weiteres
So ein Massenwirkungsgesetz kennen wir eigentlich bereits in einer sehr einfachen Form aus unserer Analogie mit der Bälleschlacht:
Im Gleichgewicht sind die Reaktionsraten gleich groß.2
Weiteres
Warum gilt das Massenwirkungsgesetz immer so?
Bei Reaktionsgeschwindigkeiten konnten wir die Exponenten nicht einfach aus der Reaktionsgleichung ablesen. Warum funktioniert das beim Massenwirkungsgesetz dann doch?
Der entscheidende Unterschied:
- Geschwindigkeit beschreibt, wie schnell eine Reaktion abläuft → hängt vom Mechanismus ab
- Gleichgewicht beschreibt, wie weit eine Reaktion abläuft → hängt nur von den beteiligten Stoffen ab
Eine Reaktion kann über viele Zwischenschritte verlaufen. Diese bestimmen, wie schnell das Gleichgewicht erreicht wird – aber nicht, wo es liegt.
Der Grund liegt in der Energie:
Im Gleichgewicht ist die sogenannte freie Enthalpie minimal. Dieser Zustand hängt nur davon ab, welche Stoffe vorliegen – nicht davon, wie sie entstanden sind. Mathematisch ergibt sich daraus ein Ausdruck, in dem die Konzentrationen der Stoffe miteinander verknüpft sind. Dabei treten die Stoffe genau mit den stöchiometrischen Koeffizienten als Exponenten auf. Diese spiegeln wider, wie viele Teilchen jeweils umgesetzt werden.
Kurz gesagt:
- Das Geschwindigkeitsgesetz braucht den Reaktionsweg.
- Das Massenwirkungsgesetz beschreibt den Gleichgewichtszustand – und der ist unabhängig vom Weg.
Was bringt uns das Massenwirkungsgesetz?
Weiteres
Für eine einfache chemische Reaktion analog zur Bälleschlacht, kann man es so formulieren:
Weiteres
Die Gleichgewichtskonstante K kann als das Verhältnis aus den Geschwindigkeitskonstanten der Hin- und Rückreaktion ausgedrückt werden. Im chemischen Gleichgewicht sind die Reaktionsraten der Hin- und Rückreaktion gleich groß, sodass keine Nettoänderung der Konzentrationen stattfindet.
Kennt man also K, sagt der Massenwirkungsquotient Q etwas zur Verteilung von Produkten und Edukten im Gleichgewicht.
Die Gleichgewichtskonstante sagt jedoch nichts darüber aus, wie lange es dauert, bis das Gleichgewicht erreicht wird – dies wird von der Reaktionskinetik bestimmt.