Eine wichtige Gleichgewichtsreaktion in der Industrie ist das sogenannte Boudouard-Gleichgewicht, benannt nach dem französischen Chemiker Octave Leopold Boudouard.
Das Boudouard-Gleichgewicht beschreibt die Reaktion von zwei Kohlenstoffmonoxidmolekülen zu einem Kohlenstoffatom und einem Kohlenstoffdioxidmolekül und die entsprechende Rückreaktion.
Anhand dieses Beispiel ist das Prinzip des kleinsten Zwangs von Le Chatelier leicht zu verstehen und erleichtert den Transfer zu komplexeren Gleichgewichtsreaktionen.
Boudouard-Gleichgewicht: Definition
Die Reaktionsgleichung des Boudouard-Gleichgewichts lautet:
Bei der Hinreaktion reagieren zwei Kohlenstoffmonoxidmoleküle miteinander. Dabei gibt ein Kohlenstoffmonoxidmolekül ein Sauerstoffatom an das andere Kohlenstoffmonoxidmolekül ab. Dadurch entsteht Kohlenstoffdioxid aus dem Kohlenstoffmonoxidmolekül, das ein Sauerstoffatom aufnimmt – ein Kohlenstoffatom entsteht aus dem Kohlenstoffmonoxidmolekül, welches das Sauerstoffatom abgegeben hat.
Die Hinreaktion ist exotherm, was bedeutet, dass (Wärme)energie frei wird, während die Rückreaktion damit zwangsläufig endotherm ist.
Das heißt, dass bei der Rückreaktion der Umgebung Energie entzogen wird.
Woran erkenne ich, ob eine Reaktion exo- oder endotherm ist?
Ob die betrachtete Reaktion exo- oder endotherm ist, erkennst Du an den Zahlen, welche an den Reaktionspfeilen drangeschrieben sind.
Diese Zahlen (Fachbegriff: Reaktionsenthalpien) entsprechen der Energie, die frei bzw. aus der Umgebung aufgenommen wird pro Mol Edukt, also in Abhängigkeit der Stoffmenge, die Du umsetzt (deshalb die Einheit , also Kilojoule pro Mol).
Wenn die Zahl negativ ist, bedeutet es, dass Energie frei wird.
Wenn sie hingegen positiv ist, dass Energie aus der Umgebung aufgenommen wird.
"Aus der Umgebung" bedeutet hierbei, dass die Raumtemperatur folglich sinkt.
Boudouard-Gleichgewicht beeinflussen
Um zu verstehen, wie Du das Boudouard-Gleichgewicht, und im Grunde jede Gleichgewichtsreaktion, beeinflussen kannst, musst Du Dir das Prinzip des kleinsten Zwangs von Le Chatelier ins Gedächtnis rufen.
Das Prinzip des kleinsten Zwangs und Gleichgewichtsreaktionen
Bei Gleichgewichtsreaktionen ist es so, dass es sowohl eine Hin- als auch eine Rückreaktion in die Edukte kontinuierlich stattfindet. Dabei ändern sich die Konzentrationen von Edukten und Produkten bei einem gewissen Verhältnis nicht mehr, weil genauso viele Edukte hin- wie Produkte rückreagieren. Dieses Stoffmengenverhältnis kann man nicht ändern, indem man mehr Produkt oder Edukt hinzufügt, weil sich nach einer gewissen Zeit wieder dasselbe Verhältnis einstellt. Das Verhältnis kann sich aber durch Veränderung von bestimmten Größen, wie der Temperatur, dem Druck und dem Volumen, verändern (Druck und Volumen sind nur bei Gasen relevant).
Bei Erhöhung/Erniedrigung einer bestimmten Größe verändert sich das Verhältnis des Gleichgewichts so, dass dieser Erhöhung/Erniedrigung entgegengewirkt wird (Prinzip des kleinsten Zwangs).
Bei Erhöhung der Temperatur zum Beispiel wird also die endotherme Reaktion begünstigt, sodass die Temperaturerhöhung durch Energieaufnahme aus der Umgebung wieder ausgeglichen wird.
Das Prinzip des kleinsten Zwangs beschreibt also einfach nur das Reaktionsverhalten von Teilchen, die an einer Gleichgewichtsreaktion beteiligt sind.
Der Einfluss der Temperaturveränderung auf das Boudouard-Gleichgewicht
Das Prinzip des kleinsten Zwangs besagt also, dass dieser bei Temperaturerhöhung durch eine Verschiebung des Gleichgewichts wieder entgegengewirkt wird. Somit wird also diese eintretende Temperaturerhöhung wieder aufgehoben.
Wenn die Temperatur steigt, wird die endotherme Reaktion begünstigt, denn
bei der endothermen Reaktion wird die Wärmeenergie aus der Umgebung aufgenommen, sodass die Temperatur wieder sinkt. Entsprechend entsteht also mehr Kohlenstoffmonoxid aus Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoff bei Temperaturerhöhung (die Stoffmenge an Kohlenstoffdioxid und Kohlenstoff nimmt ab).
Bei einer Temperaturerniedrigung wird hingegen die exotherme Reaktion begünstigt, denn
bei einer exothermen Reaktion wird Energie frei, wodurch der sinkenden Temperatur entgegengewirkt wird.
Demnach entstehen bei Temperaturerniedrigung mehr Kohlenstoff und Kohlenstoffdioxid, während Kohlenstoffmonoxid zunehmend verbraucht wird (die Stoffmenge an Kohlenstoffmonoxid nimmt ab).
Anhand folgender vereinfachten Reaktionsgleichung kannst Du Dir den Zusammenhang einfacher vorstellen:
Stell Dir die Reaktionsgleichung wie eine Waage vor.
Im Moment ist sie bei einer gewissen Temperatur im Gleichgewicht.
Wenn Du aber Energie hinzugibst, wird die rechte Seite der Waage schwerer und die Waage ist nicht mehr im Gleichgewicht.
Um die Waage wieder ins Gleichgewicht zu bringen, muss die rechte Seite "leichter" bzw. die linke Seite "schwerer" werden.
Deshalb reagiert die rechte Seite zunehmend zur linken Seite, bis die Waage wieder im Gleichgewicht ist.
Der Einfluss des Drucks auf das Boudouard-Gleichgewicht
Man kann das Gleichgewichtsverhältnis auch durch eine Druckerhöhung/-erniedrigung verändern. Diesmal ist es wichtig, auf die Anzahl der Gasteilchen zu achten, anstatt auf die Energie. Dabei fällt auf, dass es auf der Eduktseite zwei Kohlenstoffmonoxidmoleküle gibt, während es auf der Produktseite ein Kohlenstoffdioxidmolekül gibt.
Wenn Du nun den Druck in der Reaktionsumgebung erhöhst, wird nach dem Prinzip des kleinsten Zwangs dieser Druckerhöhung entgegengewirkt. Wichtig ist hierbei zu wissen, dass der Druck kleiner wird, je weniger Gasteilchen in einem Volumen vorliegen, weil dann weniger Stöße zwischen diesen Teilchen stattfinden. Andersherum steigt der Druck, wenn mehr Gasteilchen in einem Volumen vorliegen.
Bei Druckerhöhung wird also die Reaktion begünstigt, bei der weniger Gasteilchen entstehen, also die Hinreaktion zum Kohlenstoffdioxid.
Bei Druckerniedrigung wird hingegen die Reaktion begünstigt, bei der mehr Gasteilchen entstehen, also die Rückreaktion zu den zwei Kohlenstoffmonoxidteilchen.
Der Einfluss des Volumens auf das Boudouard-Gleichgewicht
Der Einfluss einer Volumenänderung auf das Boudouard-Gleichgewicht ist mit dem Einfluss des Drucks in Beziehung zu setzen.
Je höher das Volumen der Reaktionsumgebung, desto kleiner der Druck (weil sich die Teilchen besser verteilen können und weniger aneinander stoßen).
Je kleiner das Volumen der Reaktionsumgebung, desto höher der Druck (weil sich die Teilchen dann schlechter verteilen können und häufiger aneinander stoßen).
Wenn Du diesen inversen/umgekehrten Zusammenhang zwischen Volumen und Druck verstanden hast, kannst Du auch wieder anhand des Drucks und der Gasteilchenanzahl argumentieren, wie es auch im oberen Abschnitt der Fall war.
Boudouard Gleichgewicht - Das Wichtigste
- Beim Boudouard-Gleichgewicht reagieren zwei Kohlenstoffmonoxidmoleküle zu einem Kohlenstoffatom und einem Kohlenstoffdioxidmolekül (und umgekehrt).
- Die Reaktion mit den zwei Kohlenstoffmonoxidmolekülen als Edukte ist exotherm, die Rückreaktion entsprechend endotherm.
- Bei Temperaturerhöhung/-erniedrigung entstehen mehr. Kohlenstoffmonoxidmoleküle/Kohlenstoffdioxidmoleküle.
- Bei Druckerhöhung/-erniedrigung entstehen mehr Kohlenstoffdioxidmoleküle/Kohlenstoffmonoxidmoleküle.
- Aus einer Volumenerniedrigung folgt eine Druckerhöhung und aus einer Volumenerhöhung eine Druckerniedrigung.
Nachweise
- chemie.de: Boudouard-Gleichgewicht. (20.04.2022)
- chemie.de: Kohlenstoffoxide, Boudouard-Gleichgewicht, Prinzip des kleinsten Zwanges. (20.04.2022)
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