Chemisches Gleichgewicht?
Warum ist Kc nur Temperatur abhängig und nicht konzentrations oder druckabhängig ?
1 Antwort
Bei einer Gleichgewichtsreaktion findet eine Hin- und eine Rückreaktion statt. Die Hinreaktion mag die Reaktion der Edukte A und B zu den Produkten C und D sein.
Gleichwohl kann eine Rückreaktion erfolgen.
ν bezeichnet dabei die stöchiometrische Zahl. Für Produkte ist sie positiv, für Edukte ist sie negativ. In der Reaktionsgleichung tritt jedoch nur ihr Betrag auf.
Die Geschwindigkeit einer Reaktion r (rate of reaction) kann durch die zeitliche Konzentrationsänderung beschrieben werden, wobei hier die stöchiometrische Zahl mitsamt ihrem Vorzeichen zu berücksichtigen ist.
Man betrachte beispielhaft eine Gleichgewichtsreaktion, bei der alle stöchiometrischen Zahlen gleich Eins und die Hin- und Rück- Reaktion eine Reaktion zweiter Ordnung sei. Man betrachte zuerst die Hinreaktion. Deren Geschwindigkeit hängt dann von den Konzentrationen der Stoffe A und B ab. Die Konzentrationen bezeichnet man der Einfachheit halber mit eckigen Klammern, z. B. mit [A] für die Konzentration des Stoffes A. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Hinreaktion kann dann wie folgt beschrieben werden.
k_hin bezeichnet die Geschwindigkeitskonstante. Sie beschreibt, wie schnell die Reaktion ablaufen könnte, unabhängig von den Konzentrationen. Für die Rückreaktion gilt entsprechend folgende Gleichung.
Bei einem chemischen Gleichgewicht ist die Reaktionsgeschwindigkeit der Hinreaktion, genauso groß wie die Reaktionsgeschwindigkeit der Rückreaktion. Durch Gleichsetzen obiger Gleichungen ergibt sich folgender Ausdruck.
Man teilt nun k_hin durch k_rueck. Diesen Quotienten der Geschwindigkeitskonstanten bezeichnet man auch als Gleichgewichtskonstante K und man erhält das Massenwirkungsgesetz. Die hier auftauchenden Konzentrationen beschreiben die Konzentrationen im Gleichgewichtszustand.
Mit K_c ist vermutlich diese Gleichgewichtskonstante gemeint. Diese ist einerseits von den Konzentrationen der Stoffe im Gleichgewichtszustand abhängig. Die Geschwindigkeitskonstante k weist überdies eine Temperaturabhängigkeit auf (Arrhenius-Gleichung).
A bezeichnet einen bestimmten Faktor, E_A die Aktivierungsenergie dieser Reaktion und T die absolute Temperatur. Da die Gleichgewichtskonstante als Quotient der Geschwindigkeitskonstanten angegeben werden kann, kann weist auch die Gleichgewichtskonstante eine Temperaturabhängigkeit auf.
Bei einigen Reaktionen ist jedoch die Angabe der Konzentrationen unüblich. Bei Gasreaktionen können auch einfach die Partialdrücke der Reaktionspartner verwendet werden. Die ganzen obigen Überlegungen zu Reaktionsgeschwindigkeiten können nun auch auf den Druck anstelle der Konzentration angewandt werden. Man betrachtet stattdessen den sich zeitlich ändernden Partialdruck eines Stoffes. Ausgehend davon kann man ein angepasstes Massenwirkungsgesetz formulieren.
Damit es hier nicht zu Verwechselungen kommt, wird zwischen K_c (für Konzentrationen) und K_p (für Drücke) unterschieden.
Um nun auf Ihre Frage einzugehen, ist dringend zwischen zwei völlig verschiedenen Dingen zu unterscheiden: Dem Wert der Gleichgewichtskonstante und der tatsächlichen Lage des Gleichgewichts.
Sowohl K_c, als auch K_p weisen eine reine Temperaturabhängigkeit auf, hier ist es noch einmal wichtig zu betonen, dass im Massenwirkungsgesetz die Gleichgewichtskonzentrationen stecken. Wird die Konzentration eines Stoffes bei gleichbleibender Temperatur geändert, z. B. durch Zugabe oder Entnahme des Stoffes, dann verändern sich die Gleichgewichtskonzentrationen so, dass die Gleichgewichtskonstante wieder den Wert hat, den sie bei dieser Temperatur zu haben hat.
Nichtdestotrotz kann eine Konzentrations- oder Druckänderung, eine Störung des Systems bewirken. Es bildet sich dann einfach ein neues Verhältnis von Gleichgewichtskonzentrationen aus, wobei sich an der Gleichgewichtskonstante nichts ändert. Denn sie ist nur von der Temperatur abhängig. Angenommen, sie besitzt bei der Temperatur 25°C einen Wert von 0,5. Dann sind für diesen Wert schließlich unendlich verschiedene Verhältnisse geeignet: 1 zu 2, 10 zu 20, 50 zu 100, 200 zu 400 usw.
Beispiel: Sie entfernen aus Ihrem System die Produkte C und D. Das Gleichgewicht ist nun gestört. Es wird nun C und D nachgebildet, die Gleichgewichtskonzentrationen von A und B sinken etwas ab und die Gleichgewichtskonzentrationen von C und D steigen von Null wieder etwas an, eben gerade so viel bis wieder die Gleichgewichtskonstante ihren ursprünglichen Wert besitzt.