Chemisches Gleichgewicht

Chemische Reaktionen laufen grundsätzlich in beide Richtungen ab. Jeder an einer Reaktion beteiligte Stoff ist also sowohl Edukt als auch Produkt. Ob eine chemische Reaktion spontan abläuft, lässt sich mit Hilfe der Gibbs-Helmholtz-Gleichung ermitteln, die auf den Konzepten der Enthalpie und Entropie basiert. Mit Hilfe des Massenwirkungsgesetzes lässt sich das chemische Gleichgewicht näher beschreiben.

Die Reaktionsgeschwindigkeit ist ein Maß für die Änderungsrate der Konzentration eines reagierenden Stoffes. Beispielhaft betrachten wir im Folgenden die Reaktion A + B 🡪 C. Aus der Reaktionsgleichung ist abzulesen, dass die Stoffe A und B im Verhältnis 1:1 zu Stoff C reagieren. Folglich ist die Änderungsrate der Konzentration der beiden Stoffe identisch. Grundsätzlich gilt, dass die Geschwindigkeit einer Reaktion mit zunehmender Ausgangskonzentration der Edukte steigt. Je mehr Teilchen sich in demselben Volumen aufhalten, desto wahrscheinlicher ist es, dass diese aufeinandertreffen und miteinander reagieren. Überdies spielt auch die Temperatur eine wichtige Rolle in Bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit. Ihr Einfluss wird – neben anderen Faktoren – in der sog. Geschwindigkeitskonstante k berücksichtigt. Es gilt: Je höher die Temperatur, desto größer die kinetische Energie der Teilchen und desto wahrscheinlicher interagieren diese miteinander. 

In der Summe gilt für die Reaktionsgeschwindigkeit:

Die eckigen Klammern deuten an, dass es sich um Konzentrationen handelt. Das negative Vorzeichen symbolisiert eine Abnahme der Konzentration.

Zur Klärung der Begriffe endotherm und exotherm muss zunächst der Begriff der inneren Energie eines Systems definiert werden. Diese nimmt zu, wenn dem System von außen Wärme zugeführt wird oder an dem System Arbeit verrichtet wird.

In der Folge wird ein System betrachtet, in dem der Druck konstant bliebt. Steigt die innere Energie im Laufe einer Reaktion, nimmt das System Wärme auf. Es handelt sich um eine endotherme Reaktion. Umgekehrt gibt ein System Wärme im Laufe einer exothermen Reaktion ab.

Die Enthalpie selbst lässt sich nicht messen, dafür aber seine Änderung. Diese ist definiert als die Wärmemenge, die im Zuge einer chemischen Reaktion von einem geschlossenen System aufgenommen oder abgegeben wird. Sie ist folglich eng verknüpft mit den Begriffen endotherm und exotherm. Ist eine Reaktion endotherm, so ist die Änderung der Enthalpie positiv. Ist eine Reaktion exotherm, so ist die Änderung der Enthalpie negativ.

Die Entropie ist ein Maß für die Unordnung in einem System. Zur Veranschaulichung dieses Konzepts stelle man sich ein Wasserbecken vor, in das man einen Topfen Tinte fallen lässt. Kurz nach Eintauchen der Tinte, ist diese noch mehr oder weniger als Tropfen zu erkennen und an der Stelle des Eintauchens hoch konzentriert. Das System besitzt einen hohen Ordnungsgrad. Mit zunehmender Zeit vermischt sich die Tinte mehr und mehr mit dem Wasser und ist schon bald überhaupt nicht mehr zu sehen. Der Grad der Unordnung ist gestiegen und mit ihm die Entropie.

Auch die freie Enthalpie lässt sich nicht messen, sondern lediglich ihre Änderung. Sie gibt Auskunft darüber, ob eine Reaktion spontan oder nicht spontan abläuft, und berechnet sich wie folgt: Änderung der freien Enthalpie G = Änderung der Enthalpie H – absolute Temperatur (in Kelvin) H * Änderung der Entropie S.

ΔG = ΔH – T ⋅ ΔS

Ist die Änderung der freien Enthalpie negativ, so läuft eine Reaktion spontan ab. Man bezeichnet sie als exergon. Ist die Änderung der freien Enthalpie positiv, so läuft die Reaktion nicht spontan ab. Die Reaktion wird als endergon bezeichnet.

Unter Aktivierungsenergie versteht man die Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand eines Ausgangsstoffes, in dem er sich „passiv“ verhält und an keiner Reaktion teilnimmt, und dem Energieniveau, bei dem er „aktiv“ wird und reagiert. 

Grundsätzlich laufen chemische Reaktionen in beide Richtungen ab. Solange eine Umwandlung der ursprünglichen Ausgangsstoffe zu beobachten ist, befindet sich die chemische Reaktion noch nicht im Gleichgewicht. Wenn keine Reaktion mehr zu erkennen ist, bedeutet dies allerdings nicht, dass der Umwandlungsprozess zum Erliegen gekommen ist. Vielmehr bedeutet es, dass die Geschwindigkeit der Hinreaktion gleich der Geschwindigkeit der Rückreaktion ist und ein chemisches Gleichgewicht erreicht ist.

Basierend auf den Konzentrationen der Reaktionspartner von Hin- und Rückreaktion im chemischen Gleichgewicht lässt sich die sog. Gleichgewichtskonstante K des Massenwirkungsgesetzes ermitteln. Dazu betrachten wir die Reaktion

Für die Gleichgewichtskonstante folgt daraus:

Bei K > 1 liegt das Gleichgewicht auf der Seite der Produkte. Bei K < 1 wiederum liegt es auf der Seite der Edukte. Bei K = 1 ist die Konzentration von Produkten und Edukten im Gleichgewicht identisch.

Katalysatoren sind Stoffe, die die Aktivierungsenergie herabsetzen. Sie beschleunigen damit das Ablaufen einer chemischen Reaktion, verändern aber nicht ihre Gleichgewichtslage. Dabei werden sie selbst nicht verbraucht oder verändert. Katalysatoren begegnen uns vor allem in der Biochemie in Form von Enzymen.