Chemie

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Zuletzt aktualisiert: 06. Dezember 2021

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Name:
Emily Fiedler, 2018-01

Gleichgewichte können in ihrer Lage verschoben werden

Wie wir bereits erfahren haben, stellt sich bei chemischen Reaktionen in geschlossenen Systemen nach einer gewissen Zeit in einem bestimmten Temperaturbereich ein chemisches Gleichgewicht ein. Das bedeutet, dass die Mengen aller an der Reaktion beteiligter Stoffe (Edukte und Produkte) in einem bestimmten Verhältnis vorliegen.

Es ist jedoch möglich, in diesem Gleichgewicht die Zusammensetzung des Reaktionsgemisches zu beeinflussen. Durch die Ausübung eines äußeren Zwangs (Änderung der äußeren Bedingungen) auf das System kann das Gleichgewicht gezielt in eine gewünschte Richtung verschoben werden, wodurch die Menge eines bestimmten Stoffes erhöht oder erniedrigt wird.

Beeinflussung des chemischen Gleichgewichts

Das chemische Gleichgewicht kann hauptsächlich durch Änderungen folgender drei äußerer Faktoren beeinflusst werden:

- Konzentrationsveränderung

- Temperaturveränderung

- Druckveränderung

Bei einer dynamischen Gleichgewichtsreaktion laufen gleichzeitig eine Hin- und eine Rückreaktion ab; die eine ist exotherm und die andere endotherm. In welche Richtung Energie verbraucht oder freigesetzt wird, ist von der Reaktion abhängig.

Edukte und Produkte

Nach Einwirken der Störung läuft entweder die Hin- oder die Rückreaktion verstärkt ab, um wiederum ein neues Gleichgewicht herzustellen.

Hierbei gilt das Prinzip von Le Chatelier (auch "Prinzip vom kleinsten Zwang").

Prinzip von Le Chatelier (auch "Prinzip vom kleinsten Zwang")

Wird ein äußerer Zwang in Form von Konzentrations-, Temperatur- oder Druckänderung auf ein sich im chemischen Gleichgewicht befindendes Gemisch ausgeübt, so verschiebt sich das Gleichgewicht und zwar  auf die Reaktionsseite, auf der die Auswirkung des Zwangs minimiert wird. Das System weicht somit dem Zwang aus.

Konzentrationsveränderung

Wird die Menge eines an der Reaktion beteiligten Stoffes verändert, versucht das System dem Zwang auszuweichen, indem es das Gleichgewicht auf die Seite der Reaktion verschiebt, die zum Ausgleich der Störung führt.

Bei der Konzentrationserhöhung eines Reaktionspartners wird das Gleichgewicht in Richtung der Reaktionsseite verschoben, auf der dieser Stoff verbraucht wird. Die Erhöhung der Konzentration eines Stoffes führt zu seinem erhöhten Verbrauch.

Bei der Konzentrationsverringerung eines Reaktionspartners wird das Gleichgewicht in Richtung der Reaktionsseite verschoben, auf der dieser Stoff hergestellt wird. Die Verringerung der Konzentration eines Stoffes führt zu seiner vermehrten Produktion.

Dadurch ist es möglich gezielt Einzelkomponenten der Reaktion zu gewinnen.

Einstellung des chemischen Gleichgewichts (klicken zum Vergrößern)

Ein Beispiel für die Anwendung dieser Technik aus der Industrie ist die Ammoniak-Herstellung:

Aus Stickstoff und Wasserstoff wird Ammoniak hergestellt. Bei der Produktion wird ständig der kostengünstige Stickstoff zugeführt und so seine Konzentration erhöht. Um dies auszugleichen, verschiebt sich das Gleichgewicht der Reaktion in Richtung der Produktion des Ammoniaks.

Temperaturveränderung

Verändert man bei einer dynamischen Gleichgewichtsreaktion die Temperatur, so versucht das System diesem Zwang auszuweichen und ihn zu minimieren. 

Bei Temperaturerhöhung verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der endothermen Reaktion, da diese Energie verbraucht und somit die Temperatur wieder verringert wird. Es stellt sich ein neues Gleichgewicht ein.

Bei Temperaturerniedrigung verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung der exothermen Reaktion, da diese Energie freisetzt und somit die Temperatur wieder erhöht wird.

Wenn nun feststeht, ob die Hin- oder die Rückreaktion endotherm oder exotherm verläuft, kann man gezielt durch die Temperaturänderung das Gleichgewicht in Richtung der Edukte oder der Produkte verschieben.

Gasgleichgewicht aus Stickstoffdioxid und Distickstofftetraoxid 

In diesem Beispiel weicht das Gleichgewicht bei einer Temperaturerhöhung dem Zwang aus, indem es sich mehr auf die Seite der Edukte verschiebt, da bei der Spaltung von Distickstofftetraoxid Energie verbraucht wird (endotherme Reaktion). Dadurch wird die Konzentration von Stickstoffdioxid erhöht.

Bei einer Temperaturerniedrigung verschiebt sich das Gleichgewicht mehr auf die Seite der Produkte, da bei der Reaktion zu Distickstofftetraoxid Energie freigesetzt wird (exotherme Reaktion). Dadurch wird die Konzentration von Distickstofftetraoxid erhöht.

Volumenveränderung / Druckveränderung

Wird auf ein chemisches Gleichgewicht ein Zwang in Form einer Druckerhöhung oder Volumenverringerung ausgeübt, verschiebt sich das Gleichgewicht in die Richtung der geringeren Teilchenmenge, wie im folgenden Beispiel dargestellt.

 
Einfluss einer Druckänderung auf ein Gasgleichgewicht

Bei Verringerung des Druckes oder Erhöhung des Volumens kommt es allerdings zur Verschiebung des chemischen Gleichgewichts in Richtung der größeren Teilchenmenge.
Die Voraussetzung dafür ist, dass mindestens ein Gas oder Gase unterschiedlicher Volumina in der Reaktion vorhanden sind.