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Gleichgewichtsreaktionen

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Gleichgewichtsreaktionen

Grundlagen zum Chemischen Gleichgewicht

In der folgenden Grafik haben wir dir zunächst ein simples Modell-Beispiel zu Gleichgewichtsreaktionen aufgezeichnet - der Apfelkrieg: Zu Beginn des Experiments liegen auf beiden Seiten des Feldes 9 Äpfel. Beide Parteien, also der Großvater und sein Enkel, werfen nun die Äpfel auf das Grundstück des anderen. Nach einiger Zeit entsteht ein Gleichgewichtszustand. Da Enkel und Großvater jedoch nicht aufhören zu werfen und sich das Gleichgewicht trotzdem nicht verändert, spricht man von einem sogenannten dynamischen Gleichgewicht. Was hier passiert, kann man als Gleichgewichtsreaktion bezeichnen, auch wenn der Apfelkrieg natürlich eine sehr abstrahierte Darstellung ist.

Abb. 1: Modell-Versuch 'der Apfelkrieg' zum chemischen Gleichgewicht

Massenwirkungsgesetz

Was hier im abstrakten Modell 'der Apfelkrieg' gilt, gilt ebenfalls bei Chemischen Gleichgewichtsreaktionen. Eine allgemeine Formel hierzu bietet das Massenwirkungsgesetz. Das Massenwirkungsgesetz trifft Aussagen zur Lage des Gleichgewichts einer chemischen Reaktion.

Zur Veranschaulichung nehmen wir als Beispiel folgende allgemeine Reaktion zur Hand:

Die Formel zum Massenwirkungsgesetz lautet dann:

Wenn du mehr zu Berechnungen mithilfe des Massenwirkungsgesetzes erfahren möchtest, sieh dir unsere ausführliche Zusammenfassung hierzu an.

Entropie

Jedem Gleichgewichtszustand der Thermodynamik kann eindeutig ein Entropie-Wert zugeordnet werden. Bei der Entropie handelt es sich um eine extensive Zustandsgröße der Thermodynamik. Im sogenannten T-s-Diagramm kann man irreversible chemische Reaktionen erfassen und veranschaulicht darstellen. Die Entropie S ist eine extensive Zustandsgröße. Dividiert man die Entropie S durch ihre Masse, erhält man die spezifische Entropie s.Wenn du noch mehr zum Thema Entropie erfahren möchtest, schau dir gerne unseren weiterführenden Beitrag zur Entropie auf StudySmarter an.

Enthalpie

Die Enthalpie ist ebenfalls ein Maß im Bereich der Thermodynamik. Der Wärmeinhalt einer Sache wird durch die Enthalpie bestimmt. Das Symbol für die Enthalpie ist das H (heat content) und die zugehörige Einheit Joule.

Die allgemeine Formel der Enthalpie lautet:

  • Enthalpie H
  • innerer Energie E
  • Druck P
  • Volumen V

Freie Enthalpie

Die freie Enthalpie ist ein Maß für die Triebkraft von thermodynamischen Prozessen. Sie wird zunächst durch die 'normale' Enthalpie bestimmt wie oben beschrieben und anschließend nach der Gibbs-Helmholtz-Gleichung berechnet. Die freie Enthalpie gibt die Änderung der sogenannten Gibbs-Energie an. Sie stellt eine besondere Form der Enthalpie dar.

Satz von Hess

Der Satz von Hess dient der Berechnung von Änderungen der Enthalpie. Dem Energieerhaltungssatz zufolge, hat der Reaktionsweg hierbei keinen Einfluss auf die Energie, die bei einer Reaktion aufgenommen oder abgegeben wird. Der Satz von Hess wird auch Hessscher Wärmesatz genannt und lautet wie folgt:

Haber Bosch Verfahren

Das Haber-Bosch-Verfahren ist ein nützliches Instrument zur Synthese von Ammoniak, welches häufig in Großindustrien angewandt wird. Benannt wurde das Haber-Bosch-Verfahren nach den beiden deutschen Chemikern Fritz Haber und Carl Bosch. Ammoniak wird meist zu Sprengstoffen oder anderen stickstoffhaltigen Chemikalien weiterverwendet.

In der folgenden Grafik siehst du, wie genau das Haber-Bosch-Verfahren in der Praxis abläuft:

Abb. 2: Haber Bosch VerfahrenQuelle: Sven, CC BY-SA 4.0 via https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3167578

Prinzip des kleinsten Zwanges

Henry Le Chatelier und Ferdinand Braun formulierten 1884-1888 das Prinzip des kleinsten Zwanges, auch das Prinzip von Le Chatelier genannt. Es besagt:

"Übt man auf ein chemisches System im Gleichgewicht einen Zwang aus, so reagiert es so, dass die Wirkung des Zwanges minimal wird."

In einfachen Worten bedeutet dies, dass wenn man von außen auf ein System im Gleichgewicht einwirkt, sich anschließend ein neues Gleichgewicht einpendeln wird, welches dem Zwang von außen ausweicht. Ein Zwang kann beispielsweise die Änderung von Temperatur, Druck oder Stoffmengenkonzentration sein.

Hierzu ein Beispiel:

  • Dem Zwang Temperaturerhöhung wird mit Wärmeverbrauch ausgewichen

Das Wichtigste zu Gleichgewichtsreaktionen auf einen Blick!

  • Gleichgewichtsreaktionen = Reaktionen, bei denen das Gleichgewicht auf Dauer unverändert bleibt
  • ein simples Beispiel zur Veranschaulichung von Gleichgewichtsreaktionen bietet der Modell-Versuch 'der Apfelkrieg'
  • die allgemeine Formel für das Chemische Gleichgewicht wurde mit dem Massenwirkungsgesetz formuliert
  • Wichtige Maßeinheiten: Enthalpie mit dem Satz von Hess, die freie Enthalpie, sowie die Entropie
  • Das sogenannte Haber Bosch Verfahren ist ein wichtiges Instrument bei der Synthese von Ammoniak
  • Das Prinzip des kleinsten Zwanges besagt, dass chemische Systeme auf äußere Zwänge mit abgewandeltem chemischem Gleichgewicht ausweichen

Geschafft!

Nun solltest du Experte auf dem Gebiet Gleichgewichtsreaktionen bzw. dem Chemischen Gleichgewicht sein. Vertiefende Übungsaufgaben und Lernmaterialien zu diesem und vielen weiteren Schulthemen findest du auf StudySmarter. Viel Spaß beim Lernen!

Finales Gleichgewichtsreaktionen Quiz

Frage

Wie wird das Prinzip des kleinsten Zwanges noch genannt und weshalb ist das so?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Prinzip des kleinsten Zwanges wird noch als "Prinzip von Chatelier" bezeichnet und das ist so, weil es von Henry Le Chatelier und Ferdinand Braun zwischen 1884 und 1888 formuliert wurde.

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Frage

Weshalb ist es wichtig, dass du Kenntnis vom Prinzip des kleinsten Zwanges hast?

Antwort anzeigen

Antwort

Das ist deshalb wichtig, weil du durch die Kenntnis des Prinzips des kleinsten Zwanges verstehst, wie sich eine chemische Reaktion durch äußere Einflüsse so beeinflussen lässt, damit eine maximale Ausbeute erzielt werden kann.

Frage anzeigen

Frage

Was besagt das Prinzip des kleinsten Zwanges?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Prinzip des kleinsten Zwanges besagt: "Wird auf ein System, das sich im chemischen Gleichgewicht befindet, ein Zwang ausgeübt, verschiebt sich die Lage des Gleichgewichts so, dass die Wirkung des Zwanges minimal wird."

Frage anzeigen

Frage

Was kannst du dir beim Prinzip des kleinsten Zwanges unter "Zwängen" vorstellen?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Prinzip des kleinsten Zwanges kannst du dir unter "Zwängen" Änderungen im Sinne von Stoffmengenkonzentration, Druck oder Temperatur vorstellen.

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Frage

Anhand was, können wir uns im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges den Einfluss von Änderungen der Stoffmengenkonzentration auf die Lage eines Gleichgewichts, gut verdeutlichen?

Antwort anzeigen

Antwort

Anhand der Erhöhung der Konzentration von z.B. Essigsäure können wir uns gut den Einfluss von Änderungen der Stoffmengenkonzentration auf die Lage eines Gleichgewichts im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges verdeutlichen.

Frage anzeigen

Frage

Was gilt es im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges bei allen Konzentrationen im chemischen Gleichgewicht zu beachten?

Antwort anzeigen

Antwort

Es gilt im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges bei allen Konzentrationen im chemischen Gleichgewicht zu beachten, dass sie konstant sind. Denn es gilt die Gleichgewichtskonstante KC.


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Frage

Was passiert laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges, wenn wir die Konzentration von Essigsäure erhöhen?

Antwort anzeigen

Antwort

Laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges läuft kurzzeitig mehr Estersynthese ab, wenn wir die Konzentration von Essigsäure erhöhen. Dies geschieht aus dem Grund, da wir damit die Konzentration von Ester und Wasser steigern können. Damit ist die Reaktion wieder im Gleichgewicht. KC muss wieder den charakteristischen Zahlenwert aufweisen.

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Frage

Was passiert laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges, wenn wir auf der Produktseite z.B. das Wasser entfernen.

Antwort anzeigen

Antwort

Laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges passiert, wenn wir auf der Produktseite z.B. das Wasser entfernen, dass erneut ein Prozess der Gleichgewichtsreaktion stattfindet. Es läuft also vermehrt Esterhydrolyse ab.

Frage anzeigen

Frage

Welche Merksätze solltest du bei einer Änderung der Stoffmengenkonzentration im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges wissen?

Antwort anzeigen

Antwort

Du solltest bei einer Änderung der Stoffmengenkonzentration im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges dir folgende zwei Sätze merken:


  1. Erhöhung der Konzentration von Edukten, dann verstärkte Produktbildung und umgekehrt.
  2. Erniedrigung der Konzentration eines Produkts, dann verstärkter Ablauf einer Hinreaktion.
Frage anzeigen

Frage

Wann kommt eine Änderung des Drucks im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges zu Stande?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Änderung des Drucks im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges kommt zu Stande, wenn Gase an der Reaktion beteiligt sind. So kommt es zu einer Beeinflussung der Gleichgewichtslage.

Frage anzeigen

Frage

Was entspricht laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges einer Erhöhung des Drucks?

Antwort anzeigen

Antwort

Einer Erhöhung des Drucks laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges entspricht die Erhöhung der Konzentration bei gelösten Stoffen.

Frage anzeigen

Frage

Welche Merksätze solltest du bei einer Änderung des Drucks im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges wissen?

Antwort anzeigen

Antwort

Du solltest bei einer Änderung des Drucks im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges dir folgende zwei Sätze merken:


  1. Bei einer Druckerhöhung ist die volumenmindernde Reaktion bevorzugt.
  2. Bei einer Druckerniedrigung ist die volumenvergrößernde Reaktion bevorzugt.
Frage anzeigen

Frage

Was bewirkst du nach dem Prinzip des kleinsten Zwanges mit einer Änderung der Temperatur?

Antwort anzeigen

Antwort

Du bewirkst nach dem Prinzip des kleinsten Zwanges mit einer Änderung der Temperatur, auch immer eine Änderung der Gleichgewichtskonstante KC, da diese immer nur für bestimmte Temperaturen definiert wird.

Frage anzeigen

Frage

Welche Merksätze solltest du bei einer Änderung der Temperatur im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges wissen?

Antwort anzeigen

Antwort

Du solltest bei einer Änderung der Temperatur im Sinne des Prinzips des kleinsten Zwanges dir folgende zwei Sätze merken:


  1. Bei einer Temperaturerhöhung läuft die endotherme Reaktion verstärkt ab.
  2. Bei einer Temperaturerniedrigung läuft die exotherme Reaktion verstärkt ab.
Frage anzeigen

Frage

Wozu führt eine starke Temperaturerniedrigung laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine starke Temperaturerniedrigung führt laut dem Prinzip des kleinsten Zwanges dazu, dass das Gasgemisch (farbloses Gas) immer heller wird.

Frage anzeigen

Frage

Findest du ein Beispiel für die Kombination aus Temperatur-, Druck- und Stoffmengenänderung nach dem Prinzip des kleinsten Zwanges?

Antwort anzeigen

Antwort

Für die Kombination aus Temperatur-, Druck- und Stoffmengenänderung nach dem Prinzip des kleinsten Zwanges ist das Haber-Bosch-Verfahren ein gutes Beispiel.

Frage anzeigen

Frage

Worüber kann man durch das Ergebnis der Gibbs-Helmholtz-Gleichung Aussagen treffen?

Antwort anzeigen

Antwort

Mithilfe des Ergebnisses der Gibbs-Helmholtz-Gleichung kann man bestimmen, ob eine chemische Reaktion spontan abläuft oder nicht.

Frage anzeigen

Frage

Läuft eine chemische Reaktion spontan ab, wenn die Gibbs-Energie der Reaktion einen positiven Wert besitzt?

Antwort anzeigen

Antwort

Ja.

Frage anzeigen

Frage

Läuft eine chemische Reaktion spontan ab, wenn die Gibbs-Energie der Reaktion einen negativen Wert besitzt?

Antwort anzeigen

Antwort

Ja.

Frage anzeigen

Frage

Läuft eine chemische Reaktion spontan ab, wenn die Gibbs-Energie der Reaktion einen Wert von 0 besitzt?

Antwort anzeigen

Antwort

Nein, sie befindet sich im thermodynamischen Gleichgewicht.

Frage anzeigen

Frage

Eine chemische Reaktion, die freiwillig abläuft, wird auch ... genannt.

Antwort anzeigen

Antwort

exergonisch

Frage anzeigen

Frage

Eine chemische Reaktion, die NICHT freiwillig abläuft, wird auch ... genannt.

Antwort anzeigen

Antwort

endergonisch

Frage anzeigen

Frage

Was gibt das Symbol ΔS in der Gibbs-Helmholtz-Gleichung an? 


Antwort anzeigen

Antwort

Das Symbol ΔS gibt die Änderung der Entropie der chemischen Reaktion an. 


Frage anzeigen

Frage

Ist die Enthalpieänderung einer chemischen Reaktion positiv, so wird die Reaktion als ... bezeichnet.

Antwort anzeigen

Antwort

endotherm

Frage anzeigen

Frage

Ist die Enthalpieänderung einer chemischen Reaktion negativ, so wird die Reaktion als ... bezeichnet.

Antwort anzeigen

Antwort

exotherm

Frage anzeigen

Frage

Wie werden chemische Reaktionen mit einer positiven Gibbs-Energie bezeichnet?

Antwort anzeigen

Antwort

Reaktionen mit einer positiven Gibbs-Energie werden als endergonisch bezeichnet.


Frage anzeigen

Frage

Können chemische Reaktionen mit einer positiven Gibbs-Energie spontan/freiwillig ablaufen?

Antwort anzeigen

Antwort

Nein.

Frage anzeigen

Frage

Wie werden chemische Reaktionen mit einer negativen Gibbs-Energie bezeichnet?


Antwort anzeigen

Antwort

Reaktionen mit einer negativen Gibbs-Energie werden als exergonisch bezeichnet.


Frage anzeigen

Frage

Können chemische Reaktionen mit einer negativen Gibbs-Energie spontan/freiwillig ablaufen?

Antwort anzeigen

Antwort

Ja.

Frage anzeigen

Frage

Was liegt vor, wenn eine chemische Reaktion eine Gibbs-Energie von 0 besitzt?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine chemische Reaktion, die eine Gibbs-Energie von 0 besitzt, befindet sich im thermodynamischen Gleichgewicht.

Frage anzeigen

Frage

Warum ist es wichtig, dass du Kenntnis von der freien Enthalpie hast?

Antwort anzeigen

Antwort

Es ist wichtig, dass du Kenntnis von der freien Enthalpie hast, weil mit Hilfe der freien Enthalpie Aussagen über die Richtung einer Reaktion getroffen werden können. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist die freie Enthalpie?

Antwort anzeigen

Antwort

Die freie Enthalpie (auch Gibbs-Helmholtz Enthalpie) ist ein Maß für die Triebkraft eines chemischen Prozesses und wird mit dem Buchstaben G abgekürzt. 

Frage anzeigen

Frage

Durch was wird die freie Enthalpie bestimmt?

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Antwort

Die freie Enthalpie wird durch die Reaktionsenthalpie und -entropie bestimmt.

Frage anzeigen

Frage

Warum wurde die freie Enthalpie als zusätzliche Größe definiert?

Antwort anzeigen

Antwort

Die freie Enthalpie wurde als zusätzliche Größe definiert, weil es weitaus einfacher ist, wenn wir allein mit den Veränderungen innerhalb des Systems, Aussagen über die Richtung der Reaktion machen könnten.

Frage anzeigen

Frage

Warum reichen die reaktionstreibenden Kräfte der Enthalpie und Entropie im Gegensatz zur freien Enthalpie nicht aus, um umfassende Aussagen über die Richtung einer Reaktion zu machen?

Antwort anzeigen

Antwort

Die reaktionstreibenden Kräfte der Enthalpie und Entropie im Gegensatz zur freien Enthalpie reichen nicht aus, um umfassende Aussagen über die Richtung einer Reaktion zu machen. Die Enthalpie und Entropie sagen uns zwar schon viel über die Richtung einer Reaktion aus. Allerdings stellt sich sich uns bezüglich der Entropie das Problem, dass wir in einem geschlossenen System nicht nur die Entropieänderung innerhalb des Systems, sondern auch zugleich diejenige der Umgebung berücksichtigen müssen. Deshalb ist es weitaus einfacher Aussagen über die Richtung der Reaktion mit Hilfe der freien Enthalpie zu machen.

Frage anzeigen

Frage

Welche Verbindung stellt die freie Enthalpie dar?

Antwort anzeigen

Antwort

Die freie Enthalpie stellt eine Verbindung der Größen Enthalpie, Entropie und absoluter Temperatur dar. 

Frage anzeigen

Frage

Durch welche Gleichung können wir die freie Enthalpie einer Reaktion bestimmen? 

Antwort anzeigen

Antwort

Die freie Enthalpie einer Reaktion können wir mit folgender Gleichung bestimmen: 


ΔG = ΔH − T ⋅ ΔS


Frage anzeigen

Frage

Für was wird die freie Enthalpie berechnet?

Antwort anzeigen

Antwort

Die freie Enthalpie wird für eine bereits bestimmte Reaktion berechnet. Dementsprechend gilt, dass wir mit den Parametern H (Reaktionsenthalpie) und S (Entropie) bereits die Gesamtreaktion betrachten. Den Wert von G können wir dann zur weiteren Beurteilung einer chemischen Reaktion heranziehen.

Frage anzeigen

Frage

Worüber können wir Aussagen mit Hilfe der freien Enthalpie treffen?

Antwort anzeigen

Antwort

Mit Hilfe der freien Enthalpie können wir definitive Aussagen über den Reaktionsverlauf und deren Freiwilligkeit bzw. Spontaneität treffen. 

Frage anzeigen

Frage

Wann kann eine Reaktion bei gleichbleibendem Druck und gleichbleibender Temperatur, die mit Hilfe der freien Enthalpie beurteilt werden kann, spontan ablaufen?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine Reaktion bei gleichbleibendem Druck und gleichbleibender Temperatur, die mit Hilfe der freien Enthalpie beurteilt werden kann, kann nur spontan ablaufen, wenn der Wert von G kleiner als null ist.

Frage anzeigen

Frage

Welche drei Varianten einer Reaktion können nun mit Hilfe der freien Enthalpie beurteilt werden?

Antwort anzeigen

Antwort

Mit Hilfe der freien Enthalpie können folgende drei Varianten einer Reaktion beurteilt werden:


  • G < 0: Die Reaktion läuft freiwillig ab und somit liegt eine exergonische Reaktion vor.
  • G = 0: Die Reaktion befindet sich im Gleichgewicht.
  • G > 0: Die Reaktion läuft nicht freiwillig ab und somit liegt eine endergonische Reaktion vor. Sie kann z.B. nur durch Zufuhr von Arbeit erzwungen werden.
Frage anzeigen

Frage

Was gibt uns das Vorzeichen der freien Enthalpie an?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Vorzeichen der freien Enthalpie gibt uns an, ob eine Reaktion in einem geschlossenen System bei konstanter Temperatur und konstantem Druck freiwillig ablaufen kann oder nicht. 

Frage anzeigen

Frage

Was gibt uns der Zahlenwert der freien Enthalpie an?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Zahlenwert der freien Enthalpie gibt uns an, wie weit der anfängliche Zustand vom Gleichgewicht entfernt liegt.

Frage anzeigen

Frage

Womit sind die zwei Begriffe "exer- und endergonisch", auf welche die freie Enthalpie hinweist, nicht zu verwechseln?

Antwort anzeigen

Antwort

Die zwei Begriffe "exer- und endergonisch", auf welche die freie Enthalpie hinweist, sind keine Synonyme für "exo- und endotherm".

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Osmose?

Antwort anzeigen

Antwort

Osmose ist eine spezielle Form der Diffusion, bei dem Lösemittelteilchen über eine semipermeable Membran in eine Lösung höherer Teilchenkonzentration diffundieren. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist eine semipermeable Membran?

Antwort anzeigen

Antwort

Eine semipermeable Membran ist eine halbdurchlässige Membran, die nur bestimmte Moleküle durchlässt. 

Frage anzeigen

Frage

Welche Tonizitäten werden unterschieden?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Isoton 
  • Hyperton
  • Hypoton
Frage anzeigen

Frage

Welcher Begriff beschreibt eine Lösung mit geringerem osmotischen Druck als seine Umgebung?

Antwort anzeigen

Antwort

Hypoton

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet es, wenn eine Lösung hyperton ist?

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Antwort

Die Lösung hat einen höheren osmotischen Druck als seine Umgebung. 

Frage anzeigen

Frage

Was ist der osmotische Druck?

Antwort anzeigen

Antwort

Der osmotische Druck ist die treibende Kraft der Osmose. Es beschreibt den Überdruck im Gleichgewichtszustand und entspricht der Niveaudifferenz im Lösungspegel. 

Frage anzeigen
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