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Das Massenwirkungsgesetz Abkurzung MWG definiert das chemische Gleichgewicht fur chemische Reaktionen Dem Massenwirkungsgesetz zufolge ist das Produkt aus den Aktivitaten a i displaystyle a i der beteiligten Stoffe i textstyle i potenziert mit den jeweiligen stochiometrischen Zahlen n i displaystyle nu i konstant 1 Die Konstante wird als Gleichgewichts oder Massenwirkungskonstante K displaystyle K bezeichnet 2 Sind an einer Reaktion z displaystyle z Stoffe beteiligt erhalt man K i 1 z a i n i displaystyle K prod i 1 z a i nu i Hierbei ist textstyle prod das Produktzeichen Da die stochiometrischen Zahlen der Ausgangsstoffe negativ sind werden Massenwirkungsgesetze als Bruche formuliert wobei die Produktterme den Zahler und die Eduktterme den Nenner bilden Fur eine Reaktion mit der unter Verwendung des Gleichgewichtspfeils formulierten stochiometrischen Reaktionsgleichung n A A n B B n M M n N N n O O n Z Z displaystyle nu mathrm A mathrm A nu mathrm B mathrm B dotsb nu mathrm M mathrm M rightleftharpoons nu mathrm N mathrm N nu mathrm O mathrm O dotsb nu mathrm Z mathrm Z an der die Ausgangsstoffe A B M und die Produkte N O Z beteiligt sind nimmt das Massenwirkungsgesetz daher folgende Form an K a N n N a O n O a Z n Z a A n A a B n B a M n M displaystyle K frac a text N nu text N cdot a text O nu text O dotsm a text Z nu mathrm Z a text A nu text A cdot a text B nu text B dotsm a text M nu mathrm M Die Gleichgewichtskonstante ist eine intensive dimensionslose thermodynamische Zustandsgrosse und definiert diejenige stoffliche Zusammensetzung fur die das unter den jeweiligen Reaktionsbedingungen relevante thermodynamische Potential des reagierenden Systems ein Minimum aufweist Stellt sich der durch das Massenwirkungsgesetz definierte Gleichgewichtszustand ein wird die maximale Zunahme der Entropie die durch Zustandsanderungen im Reaktionsgemisch realisierbar ist erreicht Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Thermodynamische Aspekte 2 1 Thermodynamische Definition der Gleichgewichtskonstante 2 2 Herleitung 2 3 Druck und Temperaturabhangigkeit der Gleichgewichtskonstante 3 Massenwirkungsgesetz als Spezialfall in der Reaktionskinetik 4 Aufstellung des Massenwirkungsgesetzes mit Stoffmengenkonzentrationen 5 Aufstellung des Massenwirkungsgesetzes fur homogene Gasgleichgewichte 6 Anwendungen des Massenwirkungsgesetzes 7 Literatur 8 Weblinks 9 EinzelnachweiseGeschichte Bearbeiten nbsp Cato Maximilian Guldberg links und Peter Waage rechts im Jahr 1891Das Massenwirkungsgesetz wurde von den norwegischen Chemikern Cato Maximilian Guldberg und Peter Waage experimentell ermittelt und 1864 in Norwegisch sowie 1867 in Franzosisch mit ihren experimentellen Daten und einem modifizierten Gesetz erstmals veroffentlicht 3 Ihre Veroffentlichung fand lange keine grosse Beachtung Der Ire John Hewitt Jellett kam 1873 zu ahnlichen Schlussfolgerungen 4 ebenso wie 1877 Jacobus Henricus van t Hoff Insbesondere nach den Veroffentlichungen von van t Hoff aber auch von anderen wie August Friedrich Horstmann hatten Guldberg und Waage den Eindruck dass ihre Arbeit nicht genug bekannt sei 5 Nachdem sie 1879 im Journal fur Praktische Chemie eine ausfuhrlichere Darlegung in deutscher Sprache veroffentlicht hatten erkannte van t Hoff deren Prioritat an Thermodynamische Aspekte BearbeitenThermodynamische Definition der Gleichgewichtskonstante Bearbeiten Im thermodynamischen Gleichgewicht ist die Anderung des zur Beschreibung des Systems angebrachten thermodynamischen Potentials null vergleiche Reaktionsquotient Die Gleichgewichtskonstante hangt dann lediglich von den gewahlten willkurlichen aber festen Referenzzustanden o der beteiligten Stoffe ab Der Referenzzustand o kann entsprechend dem betrachteten Reaktionsszenario frei gewahlt werden und ist nicht mit sogenannten Standardzustanden unter Standardbedingungen zu verwechseln 6 7 Die Lage des Gleichgewichtes sowie der Wert der Gleichgewichtskonstante hangen dabei vom gewahlten Referenzzustand ab Da thermodynamische Gleichgewichtszustande unabhangig vom Weg sind auf dem diese erreicht werden ist es fur die thermodynamische Gultigkeit des Massenwirkungsgesetzes nicht erforderlich die unabhangigen Zustandsvariablen des relevanten thermodynamischen Potentials wahrend des gesamten Reaktionsverlaufes konstant zu halten In der Praxis sind vor allem zwei Szenarien von Bedeutung Reaktionen die in Autoklaven durchgefuhrt werden wie etwa Solvothermalsynthesen finden bei konstantem Volumen und in der Regel bei konstanter Temperatur statt wohingegen der Druck variabel ist Wird eine Reaktion bei konstanter Temperatur konstantem Volumen und variablem Druck durchgefuhrt ist die freie Energie Helmholtz Potential F das relevante thermodynamische Potential da neben der sich im Verlauf der chemischen Reaktion verandernden stofflichen Zusammensetzung des reagierenden Systems Temperatur und Volumen die unabhangigen Zustandsvariablen der freien Energie sind Das Massenwirkungsgesetz definiert dann die stoffliche Zusammensetzung des reagierenden Systems fur die die freie Energie minimal wird und die damit den thermodynamischen Gleichgewichtszustand darstellt Fur eine chemische Reaktion die in einem durch ein konstantes Volumen und eine konstante Temperatur gekennzeichneten Referenzzustand o durchgefuhrt wird und deren z displaystyle z nbsp beteiligte Komponenten i textstyle i nbsp in diesem Referenzzustand die molaren freien Bildungsenergien F i m displaystyle F i m circ nbsp besitzen wird die molare freie Reaktionsenergie D R F displaystyle Delta R F circ nbsp gleich D R F i 1 z n i F i m displaystyle Delta R F circ sum i 1 z nu i cdot F i m circ nbsp Die Gleichgewichtskonstante K displaystyle K nbsp ist dann unter Verwendung der absoluten Temperatur T displaystyle T nbsp wie folgt durch die molare freie Reaktionsenergie des Referenzzustandes D R F displaystyle Delta R F circ nbsp definiert K exp D R F R T displaystyle K exp bigg frac Delta R F circ R cdot T bigg nbsp Viele chemische Reaktionen werden in offenen Systemen durchgefuhrt so dass Druckausgleich zwischen dem reagierenden System und der Umgebung erfolgen kann Somit kann angenommen werden dass die betrachtete Reaktion unter einem konstanten dem Umgebungsdruck entsprechenden Druck durchgefuhrt wird wahrend das Volumen des reagierenden Systems variabel ist Wird eine Reaktion bei konstantem Druck konstanter Temperatur und variablem Volumen durchgefuhrt ist die freie Enthalpie Gibbs Energie das relevante thermodynamische Potential da neben der sich im Verlauf der chemischen Reaktion verandernden stofflichen Zusammensetzung des reagierenden Systems Druck und Temperatur die unabhangigen Zustandsvariablen der freien Enthalpie sind In diesem Fall definiert das Massenwirkungsgesetz die stoffliche Zusammensetzung des reagierenden Systems fur die die freie Enthalpie minimal wird und die damit den thermodynamischen Gleichgewichtszustand darstellt Fur eine chemische Reaktion die in einem durch einen konstanten Druck und eine konstante Temperatur gekennzeichneten Referenzzustand o durchgefuhrt wird und deren z displaystyle z nbsp beteiligte Komponenten i textstyle i nbsp in diesem Referenzzustand die molaren freien Bildungsenthalpien G i m displaystyle G i m circ nbsp besitzen wird die molare freie Reaktionsenthalpie D R G displaystyle Delta R G circ nbsp gleich D R G i 1 z n i G i m displaystyle Delta R G circ sum i 1 z nu i cdot G i m circ nbsp Die Gleichgewichtskonstante K displaystyle K nbsp ist dann wie folgt durch die molare freie Reaktionsenthalpie der Referenzzustande D R G displaystyle Delta R G circ nbsp definiert K exp D R G R T displaystyle K exp bigg frac Delta R G circ R cdot T bigg nbsp Wird ein chemisches Gleichgewicht durch die Anderung der Konzentration eines an der betrachteten Reaktion beteiligten Stoffes und damit seiner Aktivitat gestort mussen sich gemass dem Prinzip vom kleinsten Zwang nach Henry Le Chatelier die Aktivitaten und damit die Konzentrationen der anderen an der Reaktion beteiligten Stoffe so andern dass das Massenwirkungsgesetz erfullt bleibt Die Gleichgewichtskonstante ist somit unabhangig von den Ausgangskonzentrationen der an der betrachteten Reaktion beteiligten Stoffe Als thermodynamische Zustandsgrosse hangt die Gleichgewichtskonstante nicht vom Reaktionsmechanismus oder von kinetischen Grossen wie Geschwindigkeitskonstanten und Reaktionsgeschwindigkeiten ab Herleitung Bearbeiten nbsp Profil der freien Enthalpie wahrend einer Gleichgewichtsreaktion als Funktion des Umsatzes Im Folgenden 8 wird exemplarisch angenommen dass die betrachtete Reaktion bei einem durch einen konstanten Druck sowie eine konstante Temperatur gekennzeichneten Referenzzustand displaystyle circ nbsp durchgefuhrt wird so dass die freie Enthalpie das relevante thermodynamische Potential ist Sinngemass lasst sich die unten skizzierte Herleitung auf jedes andere thermodynamische Potential anwenden G i displaystyle G i nbsp sei der Beitrag eines Stoffes i displaystyle i nbsp zur extensiven freien Gesamtenthalpie G s y s displaystyle G mathrm sys nbsp des betrachteten Systems Sofern Druck Temperatur und die Stoffmengen n j displaystyle n j nbsp aller weiteren anwesenden Stoffe j displaystyle j nbsp konstant gehalten werden ist das chemische Potential m i displaystyle mu i nbsp des Stoffes i displaystyle i nbsp gleich der Anderung d G i displaystyle mathrm d G i nbsp pro Anderung d n i displaystyle mathrm d n i nbsp der Stoffmenge n i displaystyle n i nbsp des Stoffes i displaystyle i nbsp m i G i n i T p n j i displaystyle mu i left frac partial G i partial n i right T p n j neq i nbsp Die Menge der Formelumsatze einer chemischen Reaktion in Mol ist durch die Umsatzvariable 3 displaystyle xi nbsp gegeben dem Quotienten aus d n i displaystyle mathrm d n i nbsp und der stochiometrischen Zahl n i displaystyle nu i nbsp des Stoffes i textstyle i nbsp d 3 d n i n i displaystyle mathrm d xi frac mathrm d n i nu i nbsp Ersetzt man im Ausdruck fur das chemische Potential d n i displaystyle mathrm d n i nbsp durch n i d 3 displaystyle nu i cdot mathrm d xi nbsp und lost nach d G i displaystyle mathrm d G i nbsp auf erhalt man d G i n i m i d 3 displaystyle mathrm d G i nu i cdot mu i cdot mathrm d xi nbsp Enthalt ein Reaktionsgemisch insgesamt z displaystyle z nbsp verschiedene Stoffe gilt fur die Anderung d G s y s displaystyle mathrm d G mathrm sys nbsp der freien Gesamtenthalpie G s y s displaystyle G mathrm sys nbsp des reagierenden Systems d G s y s i 1 z d G i i 1 z n i m i d 3 i 1 z n i m i d 3 displaystyle mathrm d G mathrm sys sum i 1 z mathrm d G i sum i 1 z nu i cdot mu i cdot mathrm d xi sum i 1 z nu i cdot mu i cdot mathrm d xi nbsp Dividieren durch d 3 displaystyle mathrm d xi nbsp ergibt G s y s 3 T p i 1 z n i m i displaystyle left frac partial G mathrm sys partial xi right T p sum i 1 z nu i cdot mu i nbsp Unter den gegebenen Reaktionsbedingungen fur T p displaystyle T p nbsp ist G s y s 3 displaystyle frac partial G mathrm sys partial xi nbsp die Anderung der freien Systementhalpie G s y s displaystyle G mathrm sys nbsp pro Reaktionsumsatz Das chemische Potential m i displaystyle mu i nbsp eines Stoffes i displaystyle i nbsp in einer Reaktionsmischung kann bezogen auf das chemische Potential m i displaystyle mu i circ nbsp des reinen Stoffes i displaystyle i nbsp fur den Referenzzustand displaystyle circ nbsp ausgedruckt werden der fur das betrachtete Reaktionsszenario massgeblich ist 9 10 m i a i m i R T ln a i displaystyle mu i a i mu i circ R cdot T cdot ln a i nbsp Hierbei ist a i exp m i m i R T displaystyle a i exp left frac mu i mu i circ RT right nbsp die relative chemische Aktivitat mit der Gaskonstante R displaystyle R nbsp und der absoluten Temperatur T displaystyle T nbsp Die Kombination mit obigem Ausdruck fur G s y s 3 T p displaystyle left partial G mathrm sys partial xi right T p nbsp ergibt G s y s 3 T p i 1 z n i m i o n i R T ln a i i 1 z n i m i o R T i 1 z n i ln a i displaystyle left frac partial G mathrm sys partial xi right T p sum i 1 z nu i cdot mu i o nu i cdot R cdot T cdot ln a i sum i 1 z nu i cdot mu i o R cdot T cdot sum i 1 z nu i cdot ln a i nbsp Die Summe i 1 z n i m i D R G displaystyle textstyle sum i 1 z nu i cdot mu i circ Delta R G circ nbsp ist gleich der molaren freien Reaktionsenthalpie D R G displaystyle Delta R G circ nbsp fur den Referenzzustand Man erhalt G s y s 3 T p D R G R T i 1 z n i ln a i displaystyle left frac partial G mathrm sys partial xi right T p Delta R G circ R cdot T cdot sum i 1 z nu i cdot ln a i nbsp Wahrend D R G displaystyle Delta R G circ nbsp konstant ist solange Druck und Temperatur nicht verandert werden hangt die Summe i 1 z n i ln a i displaystyle textstyle sum i 1 z nu i cdot ln a i nbsp von den jeweils aktuellen relativen Aktivitaten a i displaystyle a i nbsp ab Durch Anwendung der einschlagigen Logarithmusregel lasst sich die Summe i 1 z n i ln a i displaystyle textstyle sum i 1 z nu i cdot ln a i nbsp in den Logarithmus des Produkts i 1 z a i n i displaystyle textstyle prod i 1 z a i nu i nbsp umwandeln welches als Reaktionsquotient Q r displaystyle Q r nbsp bezeichnet wird i 1 z n i ln a i ln i 1 z a i n i ln Q r displaystyle sum i 1 z nu i cdot ln a i ln left prod i 1 z a i nu i right ln Q r nbsp Somit ergibt sich G s y s 3 T p D R G R T ln Q r displaystyle left frac partial G mathrm sys partial xi right T p Delta R G circ R cdot T cdot ln Q r nbsp Solange im Verlauf der betrachteten Reaktion die transienten relativen Aktivitaten der Edukte grosser als die relativen Gleichgewichtsaktivitaten der Edukte sind ist Q r displaystyle Q r nbsp kleiner als die Gleichgewichtskonstante K displaystyle K nbsp und es gilt D R G R T ln Q r lt 0 displaystyle Delta R G circ R cdot T cdot ln Q r lt 0 nbsp Folglich nimmt G s y s displaystyle G mathrm sys nbsp mit Fortlaufen der Reaktion ab G s y s 3 T p lt 0 displaystyle left frac partial G mathrm sys partial xi right T p lt 0 nbsp Im chemischen Gleichgewicht nimmt die freie Gesamtenthalpie G s y s displaystyle G mathrm sys nbsp des reagierenden Systems den kleinstmoglichen erreichbaren Wert an Im chemischen Gleichgewicht weist die Funktion G s y s 3 T p displaystyle G mathrm sys xi T p nbsp somit ein Minimum auf Der partielle Differentialquotient G s y s 3 T p displaystyle partial G mathrm sys partial xi T p nbsp muss demnach im chemischen Gleichgewicht gleich null sein G s y s 3 T p D R G R T ln Q r 0 displaystyle left frac partial G mathrm sys partial xi right T p Delta R G circ R cdot T cdot ln Q r 0 nbsp Der Reaktionsquotient Q r displaystyle Q r nbsp ist im chemischen Gleichgewicht allein durch die freie Reaktionsenthalpie im Referenzzustand D R G displaystyle Delta R G circ nbsp gegeben und entspricht damit der Gleichgewichtskonstanten K displaystyle K nbsp D R G R T ln Q r R T ln K displaystyle Delta R G circ R cdot T cdot ln Q r R cdot T cdot ln K nbsp Dieser Ausdruck stellt den Zusammenhang zwischen der molaren freien Reaktionsenthalpie D R G displaystyle Delta R G circ nbsp und der stofflichen Zusammensetzung des Reaktionsgemisches im chemischen Gleichgewicht dar Auflosen nach K displaystyle K nbsp ergibt entsprechend K exp D R G R T i 1 z a i n i displaystyle K exp bigg frac Delta R G circ R cdot T bigg prod i 1 z a i nu i nbsp Da K displaystyle K nbsp von D R G displaystyle Delta R G circ nbsp abhangt hangt auch der Zahlenwert der Gleichgewichtskonstante vom jeweils angewendeten Referenzzustand displaystyle circ nbsp ab Druck und Temperaturabhangigkeit der Gleichgewichtskonstante Bearbeiten Da sich das Massenwirkungsgesetz auf ein unter den jeweiligen Reaktionsbedingungen anzuwendendes thermodynamisches Potential bezieht ist die Gleichgewichtskonstante abhangig von den Zustandsgrossen die die unabhangigen Zustandsvariablen des betreffenden thermodynamischen Potentials darstellen Ist das relevante thermodynamische Potential die freie Enthalpie andert sich der Wert der Gleichgewichtskonstante wenn die betrachtete Reaktion bei unverandertem Druck und einer veranderten konstanten Temperatur durchgefuhrt wird Die Temperaturabhangigkeit der Gleichgewichtskonstante bei konstantem Druck lasst sich durch die van t Hoff Gleichung beschreiben beziehungsweise durch van t Hoffsche Reaktionsisobaren darstellen Ebenso andert sich der Wert der Gleichgewichtskonstanten wenn die betrachtete Reaktion bei unveranderter Temperatur und verandertem konstanten Druck durchgefuhrt wird Zur Beschreibung der Druckabhangigkeit der Gleichgewichtskonstante K displaystyle K nbsp bei konstanter Temperatur in kondensierten Phasen wird das molare Reaktionsvolumen D R V displaystyle Delta R overline V nbsp herangezogen 11 12 ln K p T D R V R T displaystyle left frac partial ln K partial p right T frac Delta R overline V RT nbsp Die Druckabhangigkeit der Gleichgewichtskonstante ist bei Reaktionen die in kondensierten Phasen stattfinden jedoch typischerweise sehr schwach und wird haufig vernachlassigt 13 Ist das relevante thermodynamische Potential die freie Energie wird die Temperaturabhangigkeit der Gleichgewichtskonstante bei konstantem Volumen durch die van t Hoff sche Reaktionsisochore beschrieben 14 Massenwirkungsgesetz als Spezialfall in der Reaktionskinetik Bearbeiten Hauptartikel Kinetik Chemie nbsp Profil der freien Enthalpie entlang der Reaktionstrajektorie einer Elementarreaktion Um von den Ausgangsstoffen Edukte zum Ubergangszustand UZ zu kommen muss die freie Aktivierungsenergie der Hinreaktion D G h i n displaystyle Delta G mathrm hin ddagger nbsp aufgebracht werden Durchlauft die Ruckreaktion denselben Ubergangszustand wie die Hinreaktion ist die freie Aktivierungsenthalpie der Ruckreaktion D G ruck displaystyle Delta G text ruck ddagger nbsp gleich D G h i n D R G displaystyle Delta G mathrm hin ddagger Delta mathrm R G nbsp freie Reaktionsenthalpie Gemass der Theorie des Ubergangszustandes mussen im Verlauf elementarer Reaktionsereignisse Ausgangsstoffe und Produkte trennende Potentialbarrieren uberwunden werden die sich auf der makroskopischen Ebene am zweckmassigsten durch das jeweils anzuwendende thermodynamische Potential beschreiben lassen Reversible Reaktionen zeichnen sich dadurch aus dass neben Hinreaktionen die zur Bildung der Reaktionsprodukte aus den Ausgangsstoffen fuhren auch Ruckreaktionen die zur Bildung der Ausgangsstoffe aus den Reaktionsprodukten fuhren in nennenswertem Umfang stattfinden Werden beispielsweise Druck und Temperatur konstant gehalten reprasentiert die molare freie Aktivierungsenthalpie D G h i n displaystyle Delta G ddagger mathrm hin circ nbsp die Hohe der bei der Hinreaktion fur die Umwandlung der Ausgangsstoffe in die Produkte zu uberwindenden Potentialbarriere bezogen auf den Referenzzustand Entsprechend reprasentiert die molare freie Aktivierungsenthalpie D G ruck displaystyle Delta G ddagger text ruck circ nbsp die Hohe der bei der Ruckreaktion fur die Umwandlung der Produkte in die Ausgangsstoffe zu uberwindenden Potentialbarriere Im Gleichgewicht laufen Hin und Ruckreaktion entlang derselben Reaktionstrajektorie in entgegengesetzter Richtung ab Es gilt mit D R G displaystyle Delta mathrm R G circ nbsp als molarer freier Reaktionsenthalpie der Hinreaktion fur D G ruck displaystyle Delta G ddagger text ruck circ nbsp siehe Kinetik Chemie Abschnitt Freie Aktivierungsenthalpien und thermodynamisches Gleichgewicht D R G D G h i n D G ruck displaystyle Delta mathrm R G circ Delta G ddagger mathrm hin circ Delta G ddagger text ruck circ nbsp Die Kinetik einer betrachteten Reaktion wird durch ein Geschwindigkeitsgesetz beschrieben in das das thermodynamische Aktivierungspotential mittels einer Geschwindigkeitskonststante eingeht Die Geschwindigkeitskonstante der Hinreaktion k h i n textstyle k mathrm hin nbsp die die Kinetik der Umwandlung der Ausgangsstoffe in die Produkte reprasentiert hangt von D G h i n displaystyle Delta G ddagger mathrm hin circ nbsp wie folgt ab siehe Abschnitt Thermodynamische Formulierung im Artikel Theorie des Ubergangszustandes k h i n K o n s t a n t e exp D G h i n R T displaystyle k mathrm hin mathrm Konstante cdot exp bigg frac Delta G ddagger mathrm hin circ RT Bigg nbsp Entsprechend gilt fur die Geschwindigkeitskonstante k ruck textstyle k text ruck nbsp die die Kinetik der Umwandlung der Produkte die Ausgangsstoffe durch die Ruckreaktion reprasentiert k ruck K o n s t a n t e exp D G ruck R T displaystyle k text ruck mathrm Konstante cdot exp bigg frac Delta G ddagger text ruck circ RT Bigg nbsp Durch Anwendung des Ausdrucks D G ruck D G h i n D R G displaystyle Delta G ddagger text ruck circ Delta G ddagger mathrm hin circ Delta mathrm R G circ nbsp lasst sich k ruck textstyle k text ruck nbsp als Funktion von D R G displaystyle Delta mathrm R G circ nbsp und D G h i n displaystyle Delta G ddagger mathrm hin circ nbsp darstellen k ruck K o n s t a n t e exp D G ruck R T K o n s t a n t e exp D G h i n D R G R T displaystyle k text ruck mathrm Konstante cdot exp Bigg frac Delta G ddagger text ruck circ RT Bigg rm Konstante cdot exp Bigg frac Delta G ddagger mathrm hin circ Delta mathrm R G circ RT Bigg nbsp Fur den Quotienten aus k h i n textstyle k mathrm hin nbsp und k ruck textstyle k text ruck nbsp folgt k h i n k ruck exp D G h i n R T exp D G h i n D R G R T 1 exp D R G R T K displaystyle frac k mathrm hin k text ruck exp Bigg frac Delta G ddagger mathrm hin circ RT Bigg cdot exp Bigg frac Delta G ddagger mathrm hin circ Delta mathrm R G circ RT Bigg 1 exp Bigg frac Delta mathrm R G circ RT Bigg K nbsp Das Verhaltnis k h i n k ruck textstyle frac k mathrm hin k text ruck nbsp ist somit gleich der Gleichgewichtskonstante K textstyle K nbsp und wird durch die Referenz freie Reaktionsenthalpie D R G displaystyle Delta mathrm R G circ nbsp vorgegeben Der Zusammenhang zwischen der Gleichgewichtskonstante und den Geschwindigkeitskonstanten der Hin und Ruckreaktion ist thermodynamisch begrundet und gilt unabhangig von der Art und Weise in der die die Reaktionskinetik beschreibenden Geschwindigkeitsgesetze formuliert werden Entsprechen fur eine reversible Reaktion n A A n B B n C C n D D displaystyle nu mathrm A mathrm A nu mathrm B mathrm B rightleftharpoons nu mathrm C mathrm C nu mathrm D mathrm D nbsp lassen sich mit r h i n displaystyle r mathrm hin nbsp sowie r ruck displaystyle r text ruck nbsp als Reaktionsgeschwindigkeiten der Hin und Ruckreaktion folgende Geschwindigkeitsgesetze formulieren siehe auch Ratengleichung 15 r h i n k h i n a A n A a B n B displaystyle r mathrm hin k mathrm hin cdot a text A nu text A cdot a text B nu text B nbsp r ruck k ruck a C n C a D n D displaystyle r text ruck k text ruck cdot a text C nu text C cdot a text D nu text D nbsp Teilt man den Ausdruck fur r ruck displaystyle r text ruck nbsp durch den Ausdruck fur r h i n displaystyle r mathrm hin nbsp erhalt man r ruck r h i n k ruck a C n C a D n D k hin a A n A a B n B displaystyle frac r text ruck r mathrm hin frac k text ruck cdot a text C nu text C cdot a text D nu text D k text hin cdot a text A nu text A cdot a text B nu text B nbsp Mit K k h i n k ruck displaystyle K frac k mathrm hin k text ruck nbsp sowie K a C n C a D n D a A n A a B n B displaystyle K frac a text C nu text C cdot a text D nu text D a text A nu text A cdot a text B nu text B nbsp erhalt man r ruck r h i n 1 K K 1 displaystyle frac r text ruck r mathrm hin frac 1 K cdot K 1 nbsp Daraus folgt dass im chemischen Gleichgewicht die Geschwindigkeit der Hinreaktion r h i n displaystyle r mathrm hin nbsp gleich der Geschwindigkeit der Ruckreaktion r ruck displaystyle r text ruck nbsp sein muss r hin r ruck displaystyle r text hin r text ruck nbsp Aufstellung des Massenwirkungsgesetzes mit Stoffmengenkonzentrationen BearbeitenDie relativen Aktivitaten a i c i c g i displaystyle a i frac c i c circ gamma i nbsp sind relativ zum Referenzzustand mit Referenzkonzentration c displaystyle c circ nbsp wobei der Aktivitatskoeffizient g i displaystyle gamma i nbsp fur wechselwirkende Systeme ungleich eins ist Durch Einsetzen der relativen Aktivitaten erhalt man K i 1 z a i n i i 1 z c i c g i n i displaystyle K prod i 1 z a i nu i prod i 1 z left frac c i c circ gamma i right nu i nbsp Unter Vernachlassigung der Teilchenwechselwirkungen d h durch Fordern dass die Aktivitatskoeffizienten g i 1 displaystyle gamma i approx 1 nbsp erhalt man K i 1 z c i c n i displaystyle K approx prod i 1 z left frac c i c circ right nu i nbsp was fur verdunnte Losungen haufig eine gute Naherung ist Teilweise werden die Referenzkonzentrationen zusatzlich in die Definition einer neuen Gleichgewichtskonstante einbezogen K c K i 1 z c n i i 1 z c i n i displaystyle K c K prod i 1 z left c circ right nu i approx prod i 1 z c i nu i nbsp Statt thermodynamisch korrekt mit den Aktivitaten der an der betrachteten Reaktion beteiligten Stoffe kann somit das Massenwirkungsgesetz fur Reaktionen in verdunnter Losung haufig naherungsweise unter Verwendung der Stoffmengenkonzentrationen der beteiligten Stoffe aufgestellt werden Bei starker konzentrierten Losungen konnen jedoch die Werte der Aktivitatskoeffizienten stark von 1 abweichen so dass diese Naherung mit Vorsicht zu gebrauchen ist Die mit Stoffmengenkonzentrationen berechneten Gleichgewichtskonstanten werden zur Unterscheidung von mit Aktivitaten berechneten Gleichgewichtskonstanten mit Kc bezeichnet wobei der tiefgestellte Index c fur Stoffmengenkonzentration steht Das Massenwirkungsgesetz wird zum Beispiel fur die Reaktion n A A n B B n C C n D D displaystyle nu mathrm A mathrm A nu mathrm B mathrm B rightleftharpoons nu mathrm C mathrm C nu mathrm D mathrm D nbsp unter Verwendung der Stoffmengenkonzentrationen c A c B c C und c D der Ausgangsstoffe A und B sowie der Produkte C und D wie folgt formuliert K c c C n C c D n D c A n A c B n B displaystyle K c frac c mathrm C nu mathrm C cdot c mathrm D nu mathrm D c mathrm A nu mathrm A cdot c mathrm B nu mathrm B nbsp Da die stochiometrischen Zahlen n A displaystyle nu mathrm A nbsp und n B displaystyle nu mathrm B nbsp der Ausgangsstoffe A und B als Exponenten von deren Stoffmengenkonzentrationen c A und c B definitionsgemass ein negatives Vorzeichen besitzen stehen die Produktterme c A n A displaystyle c mathrm A nu mathrm A nbsp und c B n B displaystyle c mathrm B nu mathrm B nbsp im Nenner des Ausdrucks fur K c displaystyle K c nbsp Eine mittels der Stoffmengenkonzentrationen erhaltene Gleichgewichtskonstante K c displaystyle K c nbsp hat in der Regel einen anderen Zahlenwert als die entsprechende mittels der Aktivitaten erhaltene Gleichgewichtskonstante Weiterhin kann K c displaystyle K c nbsp eine Dimension und damit auch eine Einheit besitzen n g e s displaystyle nu mathrm ges nbsp sei die Summe aller stochiometrischer Zahlen n i displaystyle nu i nbsp der beteiligten Stoffe i textstyle i nbsp einer Reaktion mit z textstyle z nbsp beteiligten Stoffen n g e s i 1 z n i displaystyle nu mathrm ges sum i 1 z nu i nbsp L textstyle L nbsp ist das Dimensionssymbol fur Lange N textstyle N nbsp das Dimensionssymbol fur die Stoffmenge Die Dimension der Stoffmengenkonzentration ist N L 3 displaystyle N L 3 nbsp und die Dimension von K c displaystyle K c nbsp demzufolge N L 3 n g e s displaystyle N L 3 nu mathrm ges nbsp Lediglich wenn n g e s 0 displaystyle nu mathrm ges 0 nbsp ist ist K c displaystyle K c nbsp dimensionslos Betrachtet man beispielsweise die Synthese von Kaliumhexacyanidoferrat II gemass F e 2 6 C N F e C N 6 4 displaystyle mathrm Fe 2 6 CN rightleftharpoons Fe CN 6 4 nbsp ergibt sich fur K c displaystyle K c nbsp K c c F e C N 6 4 c F e 2 c 6 C N displaystyle K c mathrm frac c Fe CN 6 4 c Fe 2 cdot c 6 CN nbsp In diesem Beispiel ist n g e s 1 6 1 6 displaystyle nu mathrm ges 1 6 1 6 nbsp und die Dimension von K c displaystyle K c nbsp gleich N L 3 6 N 6 L 18 displaystyle N cdot L 3 6 N 6 cdot L 18 nbsp Die Einheit von K c displaystyle K c nbsp ist demnach m 18 M o l 6 displaystyle mathrm m 18 cdot mathrm Mol 6 nbsp Um eine dimensionslose Form der stoffmengenkonzentrationsbasierten Gleichgewichtskonstante K c displaystyle K c nbsp zu erhalten kann K c displaystyle K c nbsp durch die Einheitskonzentration 1 M o l m 3 displaystyle 1 mathrm Mol cdot mathrm m 3 nbsp potenziert mit n g e s displaystyle nu mathrm ges nbsp dividiert werden Aufstellung des Massenwirkungsgesetzes fur homogene Gasgleichgewichte BearbeitenFur Gasphasenreaktionen wird das Massenwirkungsgesetz haufig mit den Partialdrucken p i textstyle p i nbsp der beteiligten Stoffe i textstyle i nbsp aufgestellt Als Symbol fur mit Partialdrucken erhaltene Gleichgewichtskonstanten wird K p textstyle K p nbsp verwendet Bei homogenen Gasgleichgewichten mit z textstyle z nbsp beteiligten Komponenten nimmt das Massenwirkungsgesetz entsprechend folgende Form an K p i 1 z p i n i displaystyle K p prod i 1 z p i nu i nbsp Bei der Bildung von Iodwasserstoff aus elementarem Wasserstoff und Iod H 2 g I 2 g 2 H I g displaystyle mathrm H 2 g I 2 g rightleftharpoons 2 HI g nbsp stellt sich das Gleichgewicht K p p 2 H I p H 2 p I 2 displaystyle K p frac p 2 mathrm HI p mathrm H 2 cdot p mathrm I 2 nbsp ein K p textstyle K p nbsp und K c textstyle K c nbsp beziehungsweise die Partialdrucke p i textstyle p i nbsp und die Stoffmengenkonzentrationen c i textstyle c i nbsp lassen sich uber die Zustandsgleichung fur ideale Gase miteinander verknupfen p i V n i R T displaystyle p i V n i RT nbsp p i n i V R T c i R T displaystyle Leftrightarrow p i frac n i V RT c i RT nbsp Fur die Gleichgewichtskonstante K p textstyle K p nbsp bei der Bildung von Iodwasserstoff ergibt sich K p c H I R T 2 c H 2 R T c I 2 R T c 2 H I c H 2 c I 2 K c displaystyle K p frac c mathrm HI RT 2 c mathrm H 2 RT cdot c mathrm I 2 RT frac c 2 mathrm HI c mathrm H 2 cdot c mathrm I 2 K c nbsp Ist in einem Gasphasengleichgewicht die Teilchenanzahl der Produkte gleich der Teilchenanzahl der Edukte so kurzt sich R T textstyle RT nbsp im mit Stoffmengenkonzentrationen formulierten Massenwirkungsgesetz heraus Betrachtet man jedoch die Reaktion von Schwefeldioxid und Sauerstoff zu Schwefeltrioxid 2 S O 2 g O 2 g 2 S O 3 g displaystyle mathrm 2 SO 2 g O 2 g rightleftharpoons 2 SO 3 g nbsp mit K p p 2 S O 3 p 2 S O 2 p O 2 displaystyle K p frac p 2 mathrm mathrm SO 3 p 2 mathrm SO 2 cdot p mathrm O 2 nbsp und ersetzt die Drucke durch Stoffmengenkonzentrationen ergibt sich K p c S O 3 R T 2 c S O 2 R T 2 c O 2 R T c 2 S O 3 c 2 S O 2 c O 2 1 R T K c 1 R T displaystyle K p frac c mathrm SO 3 RT 2 c mathrm SO 2 RT 2 cdot c mathrm O 2 RT frac c 2 mathrm mathrm SO 3 c 2 mathrm SO 2 cdot c mathrm O 2 cdot frac 1 RT K c cdot frac 1 RT nbsp Die Teilchenzahl vermindert sich bei der Reaktion und ein Faktor 1 R T textstyle 1 RT nbsp verbleibt im mit Stoffmengenkonzentrationen formulierten Massenwirkungsgesetz Betrachtet man die Bildung von Ammoniak im Haber Bosch Verfahren gemass 3 H 2 g N 2 g 2 N H 3 g displaystyle mathrm 3 H 2 g N 2 g rightleftharpoons 2 NH 3 g nbsp ergibt sich K p p 2 N H 3 p N 2 p 3 H 2 displaystyle K p frac p 2 mathrm NH 3 p mathrm N 2 cdot p 3 mathrm H 2 nbsp Die Umrechnung von K p displaystyle K p nbsp in K c displaystyle K c nbsp erfolgt gemass K p c N H 3 R T 2 c N 2 R T c H 2 R T 3 c 2 N H 3 c N 2 c 3 H 2 1 R T 2 K c 1 R T 2 displaystyle K p frac c mathrm NH 3 RT 2 c mathrm N 2 RT cdot c mathrm H 2 RT 3 frac c 2 mathrm NH 3 c mathrm N 2 cdot c 3 mathrm H 2 cdot frac 1 RT 2 K c cdot frac 1 RT 2 nbsp Allgemein lasst sich also das Massenwirkungsgesetz eines Gasphasengleichgewichts ausdrucken als 16 17 K p K c R T n g e s displaystyle K p K c cdot RT nu mathrm ges nbsp Dabei ist n g e s i 1 z n i textstyle nu mathrm ges textstyle sum i 1 z nu i displaystyle nbsp die Summe der stochiometrische Zahlen der betrachteten Reaktion Im Fall der Bildung von HI aus den Elementen ist n g e s 1 1 2 0 displaystyle nu mathrm ges 1 1 2 0 nbsp Beim Haber Bosch Verfahren ist n g e s 3 1 2 2 displaystyle nu mathrm ges 3 1 2 2 nbsp Alternativ ist es oft zweckmassig die Zusammensetzung der Gasphase uber Molenbruche Stoffmengenanteile x i textstyle chi i nbsp anzugeben In diesem Fall wird eine auf die Stoffmengenanteile bezogene Gleichgewichtskonstante K x displaystyle K x nbsp erhalten K x i 1 z x i n i displaystyle K x prod i 1 z x i nu i nbsp mit x i p i p displaystyle x i frac p i p nbsp Allgemein gilt hier 17 K x K c R T p n g e s displaystyle K x K c cdot left dfrac RT p right nu mathrm ges nbsp Anwendungen des Massenwirkungsgesetzes BearbeitenFur eine Vielzahl von Spezialfallen definiert das Massenwirkungsgesetzes teilweise in vereinfachter Form Gleichgewichtskonstanten fur spezifische Reaktionsszenarien So beschreiben Assoziations und Dissoziationskonstanten das Gleichgewicht fur Assoziations und Dissoziationsprozesse Das Loslichkeitsprodukt definiert die Gleichgewichtsloslichkeit von Salzen in Wasser Komplexbildungskonstanten quantifizieren die Stabilitat von Komplexverbindungen Ionenprodukte werden durch Vereinfachung des Massenwirkungsgesetzes fur elektrolytische Dissoziationsprozesse erhalten Die quantitative thermodynamische Beschreibung der Saure Base Chemie durch Saurekonstanten und Basenkonstanten basiert auf dem Massenwirkungsgesetz Die Protolyse von Essigsaure in wasseriger Losung wird beispielsweise durch folgende stochiometrische Reaktionsgleichung beschrieben C H 3 C O O H a q H 2 O a q H 3 O a q C H 3 C O O a q displaystyle mathrm CH 3 COOH aq H 2 O aq rightleftharpoons H 3 O aq CH 3 COO aq nbsp Die Saurekonstante K s displaystyle K mathrm s nbsp von Essigsaure ergibt sich gemass K s c H 3 O c C H 3 C O O c C H 3 C O O H displaystyle K mathrm s frac c mathrm H 3 mathrm O cdot c mathrm CH 3 COO c mathrm CH 3 COOH nbsp Literatur BearbeitenPeter W Atkins Julio de Paula Physikalische Chemie Aus dem Englischen von Michael Bar Anna Schleitzer und Carsten Heinisch 5 Auflage Wiley VCH Weinheim 2013 ISBN 978 3 527 33247 2 Kenneth Denbigh The Principles of Chemical Equilibrium With Applications in Chemistry and Chemical Engineering 4 Auflage Cambridge University Press Cambridge 1981 ISBN 0 521 28150 4 doi 10 1017 CBO9781139167604 Andreas Heintz Thermodynamik der Mischungen Mischphasen Grenzflachen Reaktionen Elektrochemie aussere Kraftfelder Springer Verlag Berlin Heidelberg 2017 ISBN 978 3 662 49923 8 doi 10 1007 978 3 662 49924 5 Charles E Mortimer Ulrich Muller Chemie Das Basiswissen der Chemie 13 Auflage Georg Thieme Verlag Stuttgart 2019 ISBN 978 3 132 42274 2 Ostwalds Klassiker der exakten Wissenschaften Nr 139 Thermodynamische Abhandlungen uber Molekulartheorie und chemische Gleichgewichte Drei Abhandlungen aus den Jahren 1867 1868 1870 und 1872 von C M Guldberg Aus dem Norwegischen ubersetzt und herausgegeben von R Abegg Leipzig Wilh Engelmann 1903 Gerd Wedler Hans Joachim Freund Lehr und Arbeitsbuch Physikalische Chemie 7 Auflage Wiley VCH Weinheim 2018 ISBN 978 3 527 34611 0 Weblinks Bearbeiten nbsp Wiktionary Massenwirkungsgesetz Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Prof Blume uber Massenwirkungsgesetz MWG ausfuhrliche Beispiele und Herleitungen Das Massenwirkungsgesetz im Video Herleitung und Erklarung des MWG im Video P Waage C M Gulberg Studies Concerning Affinity englische Ubersetzung ihrer Veroffentlichung von 1864 pdfEinzelnachweise Bearbeiten Karl Heinz Lautenschlager Werner Schroter Joachim Teschner Hildegard Bibrack Taschenbuch der Chemie 18 Auflage Harri Deutsch Frankfurt Main 2001 S 257 equilibrium constant IUPAC 7 Oktober 2008 abgerufen am 29 September 2018 englisch A F Holleman E Wiberg N Wiberg Lehrbuch der Anorganischen Chemie 102 Auflage Walter de Gruyter Berlin 2007 ISBN 978 3 11 017770 1 S 194 Seine Arbeiten wurden von Walther Nernst bei Ostwalds Klassikern 1908 in deutscher Ubersetzung veroffentlicht E W Lund Guldberg and Waage and the law of mass action Journal of Chemical Education Band 42 1965 S 548 Gerd Wedler Hans Joachim Freund Lehr und Arbeitsbuch Physikalische Chemie 7 Auflage Wiley VCH Weinheim 2018 ISBN 978 3 527 34611 0 2 6 2 Standardreaktion Restreaktion und Gleichgewichtskonstante S 225 Georg Job Regina Ruffler Physikalische Chemie Eine Einfuhrung nach neuem Konzept mit zahlreichen Experimenten Studienbucher Chemie 2 Auflage Springer Fachmedien Wiesbaden Wiesbaden 2021 ISBN 978 3 658 32935 8 5 2 Temperaturabhangigkeit von chemischem Potenzial und Antrieb S 120 doi 10 1007 978 3 658 32936 5 The Thermodynamic Equilibrium Constant https chem libretexts org go page 23754 K G Denbigh The Principles of Chemical Equilibrium With Applications in Chemistry and Chemical Engineering 4 Auflage Cambridge University Press Cambridge 1981 ISBN 978 0 521 23682 9 9 1 Conventions for the activity coefficient on the mole fraction scale S 270 f doi 10 1017 cbo9781139167604 Gerd Wedler Hans Joachim Freund Lehr und Arbeitsbuch Physikalische Chemie 7 Auflage Wiley VCH Weinheim 2018 ISBN 978 3 527 34611 0 2 5 5 Aktivitat und Aktivitatskoeffizient S 198 ff R Van Eldik T Asano W J Le Noble Activation and reaction volumes in solution 2 In Chem Rev Band 89 Nr 3 1989 S 549 688 doi 10 1021 cr00093a005 Andreas Heintz Thermodynamik der Mischungen Mischphasen Grenzflachen Reaktionen Elektrochemie aussere Kraftfelder Springer Verlag Berlin Heidelberg 2017 ISBN 978 3 662 49923 8 Kapitel 2 5 Temperatur und Druckabhangigkeit chemischer Gleichgewichtskonstanten in kondensierten Phasen S 215 doi 10 1007 978 3 662 49924 5 Kenneth Denbigh Principles of Chemical Equilibrium 1 Auflage Cambridge University Press 1955 Guenter Gauglitz Manuela Reichert Chemisches Gleichgewicht Abgerufen am 11 September 2018 Pergamon Materials Series In CALPHAD Calculation of Phase Diagrams A Comprehensive Guide Elsevier 1998 ISBN 978 0 08 042129 2 doi 10 1016 s1470 1804 13 60012 7 Kapitel 3 5 1 online https www sciencedirect com science article pii S1470180498800230 Charles E Mortimer Ulrich Muller Johannes Beck Chemie Das Basiswissen der Chemie Thieme Stuttgart 2014 S 273 Eingeschrankte Vorschau in der Google Buchsuche a b Gerd Wedler Lehrbuch der Physikalischen Chemie VCH Weinheim 3 Auflage 1987 S 346f Normdaten Sachbegriff GND 4169050 3 lobid OGND AKS Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Massenwirkungsgesetz amp oldid 238771602