Prinzip des kleinsten Zwanges

Prinzip des kleinsten Zwanges – Definition

Das Prinzip des kleinsten Zwanges wurde von den Wissenschaftlern Henry Le Chatelier und Ferdinand Braun zwischen 1884 und 1888 entwickelt und formuliert.

Prinzip des kleinsten Zwanges – Faktoren

Wichtige Größen, die die Lage eines chemischen Gleichgewichts beeinflussen, sind die Konzentration der beteiligten Reaktionspartner, die Temperatur und der Druck, die auf das System wirken. Im ersten Fall ist der Zwang also der Stoffaustausch des Reaktionssystems mit seiner Umgebung. In den anderen Fällen werden die sogenannten Zustandsgrößen eines Systems, also die Temperatur und der Druck, verändert.

Prinzip des kleinsten Zwanges – Konzentration

Wird die Konzentration eines der Edukte erhöht, so können mehr Ausgangsstoffe miteinander reagieren. Die Hinreaktion wird also gefördert. Chemiker*innen sagen, die Lage des Gleichgewichts verschiebt sich auf die Produktseite, da jetzt mehr Produkt gebildet werden kann. Der gleiche Effekt kann erzielt werden, wenn ständig das Produkt entnommen wird. Auf diesem Weg wird die Konzentration des Endstoffs künstlich niedrig gehalten, sodass konstant Produkt nachgeliefert wird.

Wie Du hier erkennst, muss das Konzentrationsverhältnis \(\frac{c_{SO_3}}{c_{SO_2}}\) zunehmen, wenn eine erhöhte Konzentration an Sauerstoff vorliegt. Die Bildung des Produkts Schwefeltrioxid wird also durch Zunahme der Konzentration eines der Edukte gefördert.

Prinzip des kleinsten Zwanges – Temperatur

Wird die Temperatur des Systems erhöht, versucht das System auch diesem Zwang zu entweichen. Du kannst Dir die zusätzliche Wärme als eine Art weiterer Reaktionspartner vorstellen. Dieser muss verbraucht werden, um das vorherige Gleichgewicht wieder herzustellen.

Die Lage des chemischen Gleichgewichts verschiebt sich dabei in die Richtung, in der Energie verbraucht wird. Allgemein kann gesagt werden, dass eine Temperaturerhöhung bei exothermen Reaktionen die Rückreaktion fördert, während sie bei endothermen Reaktionen die Hinreaktion fördert.

Prinzip des kleinsten Zwanges – Druckänderung

Da die beiden oben genannten Reaktionen Gase verbrauchen und auch neue Gase bilden, können diese chemischen Gleichgewichte auch durch Ausüben von Druck beeinflusst werden. So wird der Raum, den die Gasteilchen untereinander teilen, durch eine Druckerhöhung verengt. Das chemische Gleichgewicht verschiebt sich dann auf die Seite, auf der weniger Gasteilchen entstehen. So wird die Gesamtanzahl an Teilchen verringert und diese benötigen weniger Platz.

Für die Ammoniak-Reaktion bedeutet das also, dass sich das Gleichgewicht bei einer Druckerhöhung in Richtung des Produkts verschieben würde, da dort weniger Teilchen entstehen. Umgekehrt würde sich das Gleichgewicht der zweiten Reaktion zugunsten der Edukte verschieben, da aus zwei Mol \(CO\) nur ein Mol \(CO_2\) wird.

Prinzip des kleinsten Zwanges Beispiel – Haber-Bosch- Verfahren

Ein Beispiel aus der Industrie, das sich das Prinzip des kleinsten Zwanges zunutze macht, ist das Haber Bosch Verfahren. Hier werden alle Faktoren perfekt aufeinander abgestimmt, um eine maximale Ausbeute des gewünschten Ammoniaks zu bekommen. Das Problem besteht nur darin, dass die verschiedenen Einflüsse teilweise entgegengesetzt auf die Reaktion wirken.

Zuallererst muss erwähnt sein, dass die Reaktion von Wasserstoff und Stickstoff zu Ammoniak eine relativ hohe Aktivierungsenergie benötigt. Allerdings kommt es durch Temperaturerhöhung auch zu einer verstärkten Rückreaktion, in der das Produkt wieder zerfällt. Andererseits kann die Ausbeute an Reaktionsprodukt in dem Fall von Ammoniak durch eine Druckerhöhung gesteigert werden.

Das Ziel des Verfahrens lag darin, die bestmögliche Kombination aus Druck und Temperatur zu finden, bei der die größtmögliche Ausbeute an Ammoniak gewonnen wird. Es stellte sich heraus, dass das bei einem Druck von etwa 300 bar und einer Temperatur von etwa 550 °C erreicht war. Zusätzlich kann dann die Hinreaktion durch ständige Entnahme des Produkts gefördert werden.