(Henry le Chatelier, 1884)

4.2
Das Prinzip des kleinsten Zwanges
(Henry le Chatelier, 1884)
Ein im Gleichgewicht befindliches System weicht
einem Zwang (Änderung von Temperatur, Konzentration, Druck) aus, indem es der Störung
entgegenwirkt und sich ein neues Gleichgewicht
einstellt.
•
Temperaturänderungen
Einfluss auf Kc
Die Konstante Kc für eine Reaktion im
Gleichgewichtszustand ist temperaturabhängig.
Hinreaktion
aA + bB
cC + dD
Rückreaktion
∆H0 = -/+ n
kJ/mol
Temperaturerhöhung begünstigt die endotherme Teilreaktion.
Temperaturerniedrigung begünstigt die exotherme Teilreaktion.
Wassergasgleichgewicht (Kohlenmonoxid-Konvertierung)
CO(g) + H2O(g)
CO2(g) + H2(g)
a) 830 °C
∆H = - 41 kJ/mol
Kc =
c ( CO 2 ) ⋅ c (H 2 )
=1
c ( CO ) ⋅ c (H 2 O )
b) 1000 °C
Begünstigung Rückreaktion,
Verschiebung nach links
Kc =
c ( CO 2 ) ⋅ c (H 2 )
<1
c ( CO ) ⋅ c (H 2 O )
c) 500 °C
Begünstigung Hinreaktion,
Verschiebung nach rechts
Kc =
c ( CO 2 ) ⋅ c (H 2 )
>1
c ( CO ) ⋅ c (H 2 O )
Das Gleichgewicht liegt bei 1000 °C auf der linken, unterhalb 500 °C praktisch
vollständig auf der rechten Seite.
• Konzentrationsänderungen
kein Einfluss auf Kc
Bei der Gleichgewichtsreaktion
aA + bB
cC + dD
kann von einem beliebigen Verhältnis der
Ausgangsstoffe / Reaktionsprodukte ausgegangen
werden. Nach Einstellung des Gleichgewichts ergibt sich immer der gleiche Wert für Kc.
Konzentrationserhöhung eines Stoffes führt zur
vermehrten Umsetzung desselben (Erhöhung der
Reaktionsgeschwindigkeit) unter Verlagerung des
Gleichgewichts.
Ebenso bewirkt der Entzug einer Substanz die
vermehrte Bildung derselben unter Verlagerung
des Gleichgewichts.
Wassergasgleichgewicht (Kohlenmonoxid-Konvertierung)
a) 830 °C
Reaktion ist im Gleichgewicht
CO(g) + H2O(g)
b) 830 °C
Kc =
c ( CO 2 ) ⋅ c (H 2 )
=1
c ( CO ) ⋅ c (H 2 O )
Erhöhung der H2O(g)-Konzentration im Gleichgewicht
(Zugabe)
Erhöhung vHin Einstellung neues Gleichgewicht
CO(g) + H2O(g)
c) 830 °C
CO2(g) + H2(g)
vHin = vRück
CO2(g) + H2(g)
Kc =
c ( CO 2 ) ⋅ c (H 2 )
=1
c ( CO ) ⋅ c (H 2 O )
Absenkung der CO2-Konzentration im Gleichgewicht
(Entfernung) Erhöhung vHin Einstellung neues Gleichgewicht
CO(g) + H2O(g)
CO2(g)
+ H2(g)
Kc =
c ( CO 2 ) ⋅ c (H 2 )
=1
c ( CO ) ⋅ c (H 2 O )
a) In einem Reaktor werden 2 mol/L CO und 2 mol/L H2O(g) bei 830 °C bis zur
Gleichgewichtseinstellung belassen. Berechnen Sie die Gleichgewichtskonzentrationen!
b) Nach Einstellung des Gleichgewichts wird die Konzentration von H2O(g) auf 2
mol/L erhöht. Berechnen Sie die sich neu einstellenden Gleichgewichtskonzentrationen!
c0
a)
2 mol/L CO
2 mol/L H2O
c1
b)
2 mol/L H2O
ceq
?
ceq(neu)
?
• Druckänderungen
kein Einfluss auf Kc
Druckänderungen wirken sich vor allem auf Gasreaktionen aus, sofern ∆n ≠ 0.
Hinreaktion
aA + bB
cC + dD
Rückreaktion
∆n
= Σn(Produkte) – Σn(Edukte)
∆nHin = c + d – (a + b)
∆nRück = a + b – (c + d)
Druckerhöhung begünstigt die unter Volumenabnahme verlaufende Teilreaktion (∆n < 0).
Druckerniedrigung begünstigt die unter Volumenzunahme verlaufende Teilreaktion (∆n > 0).
N2 (g)
+
3 H2 (g)
4 mol Gas
2 NH3 (g)
2 mol Gas
Bei der Reaktion werden 2 mol Gas gebildet,
während 4 mol Gas verbraucht werden (∆n = - 2).
In einem geschlossenen Gefäß verringert sich
deshalb der Druck.
Wenn sich das System im Gleichgewicht befindet
und der Druck erhöht wird, weicht es aus, indem
sich das Gleichgewicht nach rechts verlagert.
• Chemisches Gleichgewicht und Reaktionssystem
H2
Offenes System
- Stoff- und EnergieAustausch
- Keine Rückreaktion
2 HCl + Zn
Q
H2 + ZnCl2
Geschlossenes
System
H2
- Kein Stoffaustausch
- Energieaustausch
2 HCl + Zn
- Rückreaktion
H2 + ZnCl2
- Lage veränderlich
Abgeschlossenes
System
- Kein Stoffaustausch
- Kein Energieaustausch
- Rückreaktion
- Lage konstant
H2
2 HCl + Zn
H2 + ZnCl2
Q